Dzięki bezprzewodowym implantom wszczepionym do mózgów myszy uczeni byli w stanie sterować ich zachowaniami społecznymi w czasie rzeczywistym. Naukowcy wykorzystali technikę znaną jako optogenetyka, dzięki której można kontrolować poszczególne neurony w mózgu za pomocą impulsów światła, by zmusić gryzonie do zawierania przyjaźni z innymi osobnikami.
Naukowcy z Northwestern University opracowali pierwsze w swoim rodzaju miniaturowe urządzenie, które wykorzystuje światło do aktywacji neuronów. Urządzenie jest bezprzewodowe i potrafi obejść się bez baterii. To dzięki niemu zaprogramowali, a następnie przeprogramowali myszy do interakcji społecznej w czasie rzeczywistym. Wyniki tych prac ukazały się na łamach pisma „Nature Neuroscience”.
Optogenetyka to szybko rozwijająca się technika stosowana w neurobiologii, która polega na aktywacji bądź tłumieniu aktywności neuronów w mózgu z pomocą impulsów światła. Jednak najpierw trzeba uwrażliwić neurony na światło. Uzyskuje się to poprzez manipulacje genetyczne, a konkretnie poprzez wprowadzenie sekwencji genu kodującego światłoczułe białko. Dopiero po takim zabiegu neurony po wystawieniu na działanie światła o określonej długości fali będą stymulowane, co może wpływać na zachowanie.
Mózg to niezwykle złożony mechanizm składający się ze splecionych ze sobą miliardów neuronów. Stosowana w badaniach na zwierzętach od kilkunastu lat optogenetyka oferuje kontrolę specyficznych, zmienionych genetycznie neuronów, co pozwala na kontrolowanie i monitorowanie aktywności mózgu.
- Brzmi jak science fiction, ale jest to niezwykle przydatna technika. Optogenetyka może wkrótce zostać wykorzystana do wyleczenia ślepoty lub odwrócenia paraliżu – powiedziała Yevgenia Kozorovitskiy, jedna z autorek publikacji.
Niniejsze badanie jest pierwszym opracowaniem z zakresu optogenetyki, w którym badane są interakcje społeczne w grupach zwierząt. Dotychczasowe urządzenia stosowane w optogenetyce nie pozwalały na badanie zachować w grupach z prostego powodu, przewody światłowodowe wystające z mysich głów ograniczały swobodę ich ruchów i powodowały, że zaplątywały się one w kable podczas interakcji społecznych.
- Wcześniejsze technologie nie pozwalały nam obserwować wielu zwierząt wchodzących w interakcje społeczne w złożonych środowiskach, ponieważ zwierzęta były ograniczane przewodami. Aby móc odpowiedzieć na bardziej złożone pytania dotyczące zachowania zwierząt w realistycznych środowiskach, potrzebowaliśmy innowacyjnej technologii bezprzewodowej – zaznaczyła Kozorovitskiy.
I faktycznie kluczem do sukcesu było opracowanie maleńkich, bezbateryjnych, wszczepialnych i przede wszystkim bezprzewodowych urządzeń przekazujących sygnał do zmodyfikowanych neuronów. Dzięki nowym implantom myszy wyglądają normalnie, ale, co najważniejsze, ich zachowania nie są modyfikowane przez ograniczenia związane z wystającymi z głowy przewodami, które zmieniały wzorce ruchu gryzoni. To umożliwia naukowcom obserwacje gryzoni w ich naturalnych środowiskach.
- W tych badaniach po raz pierwszy udało nam się opracować bezprzewodowe, bezbateryjne implanty do optogenetyki z pełną, niezależną cyfrową kontrolą wielu urządzeń jednocześnie w danym środowisku - powiedział John Rogers, pionier bioelektroniki w Northwestern University. - Aktywność mózgu izolowanego zwierzęcia jest interesująca, ale wykraczanie poza badania nad jednostkami do badań złożonych, społecznie oddziałujących grup jest jedną z najważniejszych i najbardziej ekscytujących granic w neurobiologii. Obecnie dysponujemy technologią umożliwiającą badanie, w jaki sposób tworzą się i zrywają więzi między jednostkami w tych grupach. Możemy zbadać, w jaki sposób interakcje wpływają na hierarchie społeczne – dodał.
Skonstruowane w badaniach urządzenie do optogenetyki ma pół milimetra grubości. Uczeni zaimplementowali je gryzoniom pod skórą głowy. Elastyczna sonda z diodami LED na końcu sięga mózgu poprzez niewielki otwór w czaszce i w ten sposób pobudza światłoczułe neurony w wybranym przez badaczy rejonie mózgu. Miniaturowe urządzenia wykorzystują protokoły komunikacji bliskiego zasięgu – to technologia używana w smartfonach do płatności elektronicznych. Naukowcy zdalnie obsługują implant w czasie rzeczywistym za pomocą komputera. Urządzenia zasilane są bezprzewodowo przy pomocy anteny otaczającej klatkę z gryzoniami, co eliminuje potrzebę stosowania nieporęcznej, ciężkiej baterii.
Badacze z Uniwersytetu Stanforda dwa lata temu przy pomocy optogenetyki, a konkretnie stymulacji komórek nerwowych w korze wzrokowej, wywołali u gryzoni halucynacje (więcej na ten temat w tekście: Naukowcy wywołali halucynacje za pomocą światła). Ale uczeni z Northwestern University zamiast stymulować neurony związane z określonymi ruchami lub zmysłami, aktywowali neurony w częściach mózgu związanych z socjalizacją, by zbadać zdalną kontrolę interakcji społecznych między parami lub grupami myszy.
Gdy myszy były fizycznie blisko siebie w zamkniętym środowisku, zespół naukowców synchronicznie aktywował zestaw neuronów w obszarze mózgu związanym z funkcjami wykonawczymi wyższego rzędu, co zaowocowało zwiększeniem częstotliwości i czasu trwania interakcji społecznych wśród badanych gryzoni. Myszy nagle stawały się niezwykle towarzyskie i angażowały się w zachowania społeczne, takie jak pielęgnacja sierści. Desynchronizacja stymulacji szybko zmniejszała interakcje i myszy przestawały tak bardzo interesować się towarzyszami.
- Nie sądziliśmy, że to się uda. O ile nam wiadomo, jest to pierwsza bezpośrednia ocena istniejącej od dawna hipotezy o synchronizacji neuronalnej w zachowaniach społecznych – przyznała Kozorovitskiy.
Źródło i fot.: Northwestern University
