Нейроны можно включать и выключать ультразвуком — если только заранее снабдить клетки специальным белком, реагирующим на механические колебания.

В нейробиологических новостях мы часто читаем про оптогенетические методы, когда нейроны в мозге подопытной мыши активируются светом. В этом году оптогенетике исполнилось 10 лет, и сравнительно недавно мы подробно писали о том, как она создавалась, как работает и где применяется. Если коротко, то суть метода в следующем: нейрон снабжается фоточувствительным мембранным белком, который под действием света открывает в мембране ионные каналы; перераспределение ионов между внутренней и внешней стороной мембраны генерирует нервный импульс. Свет можно «провести» в мозг с помощью оптоволоконного световода, что до гена фоточувствительного белка, то тут на помощь приходят генноинженерные ухищрения. Оптогенетика позволяет избирательно управлять чётко выделенными группами нейронов, что, разумеется, даёт нам массу информации о работе отдельных нервных цепей и целых участков мозга.

Ультразвуковые волны из внешнего источника включают определённые нейроны в теле червя. (Иллюстрация Salk Institute for Biological Studies.)

Но свет не единственный переключатель, который можно здесь использовать. Исследователи из Института Солка создали альтернативный соногенетический метод, названный так по аналогии с оптогенетическим. По названию можно понять, что тут речь идёт о звуке, а точнее, об ультразвуке, который запускает нейронный импульс. Ультразвук вызывает механические колебания, то есть нейронам нужен такой ионный канал, который открывался и закрывался бы в ответ на механический стимул. В качестве такого канала Стюарт Ибсен (Stuart Ibsen) и его коллеги использовали TRP-4, активируя его ген в различных нервных клетках круглого червя, нематоды Caenorhabditis elegans.

Чтобы ультразвуковой сигнал смог подействовать, его передавали не через воздух, а через воду, в которую была погружена посуда с червями. Для дополнительного усиления добавляли ещё и липидный раствор: после удаления растворителя липиды формировали слой микропузырьков, которые служили дополнительными резонаторами. С помощью коротких звуковых импульсов удавалось заставить свободно ползающих червей менять направление движения или регулировать частоту сокращений тела. Конкретный эффект зависел от того, какие нейроны снабдили «ушами» — механочувствительным мембранным белком TRP-4. Сам по себе он принадлежит геному нематоды, так что, если пытаться сделать то же самое в мышах или крысах, то придётся сначала узнать, как TRP-4 поведёт себя в совершенно неродственном организме. Впрочем, по словам авторов работы, для этих целей можно попытаться изменить сам белок, повысив его эффективность и совместимость с чужими клетками, либо же найти какие-то другие природные аналоги. Результаты экспериментов опубликованы в Nature Communications.

Преимущество соногенетики в том, что тут не нужно вводить звуковод в тело — ультразвуковые колебания приходят к нейронам извне. (Впрочем, стоит отметить, что и в оптогенетике появились варианты, когда исследователи ограничиваются внешним световым облучением с повышенной проницаемостью, а светочувствительные белки в нейронах реагируют на сигнал, доходящий к ним сквозь толщу тканей.) Кроме того, авторы нового метода предлагают использовать многоканальный звук, чтобы разные нейроны «слышали» что-то своё, и в результате можно было бы сразу наблюдать работу нескольких нервных цепей. Ранее уже появлялись работы, посвящённые стимулирующему влиянию ультразвука на мозг животных и человека, а компания Sony даже запатентовала методику, которая позволяла бы геймерам ощущать запах, вкус и слышать звуки, и всё благодаря звуковой стимуляции. В случае соногенетики речь идёт о наиболее специфичном воздействии, сфокусированном на отдельных нервных клетках, правда, ввиду необходимых генно-инженерных манипуляций вряд ли этот метод будет когда-либо использован на людях.