Оптогенетика является одной из самых молодых областей науки, которая позволяет ученым-нейробиологам активировать определенные участки мозга и нервные клетки при помощи импульсов света. Основной трудностью в этом деле является необходимость передавать импульсы света извне в недра головного мозга и нам уже доводилось видеть весьма нелицеприятные снимки подопытных животных, из головы которых торчит оптоволоконный кабель. Однако, исследователи из Стэнфордского университета разработали и изготовили первые образцы крошечных беспроводных светодиодных оптогенетических ключей, которые могут быть имплантированы под кожу животных. Это позволит ученым подавать импульсы света в мозг и стимулировать нейроны, в то время когда животные двигаются и занимаются своими обычными делами, находясь в привычной для них среде.

Напомним нашим читателям, что в оптогенетике используются нейроны, которые были генетически модифицированы для того, чтобы получить возможность реагировать на свет. Производимые модификации представляют собой внедрение в нейроны чужеродных генов, изъятых из зеленых морских водорослей определенного вида. Производя генные модификации, ученые могут контролировать, в каких участках мозга будут находиться светочувствительные нейроны и это позволяет им изучать функции отдельных участков мозга, активируя их светом и наблюдая за реакцией животных. Используя подобные методы, ученые узнали уже достаточно многое о строении и функционировании мозга, и изучили некоторые виды дисфункций, возникающих в результате некоторых заболеваний у людей.

Первые оптогенетические системы использовали оптоволоконные кабели, внедренные хирургическим методом прямо в головы подопытных животных. Эти животные, дабы не нанести себе повреждений, были зафиксированы или существенно ограничены в подвижности. За прошедшие несколько лет были разработаны беспроводные системы, которые устанавливались на голове животного в виде достаточно большого и тяжелого «шлема». Это значительно улучшило ситуацию, но все же, подвижность животных при этом также была немного ограничена.

Новое устройство, оптогенетический ключ, содержит специальную интегральную схему, светодиод и крошечную катушку, снабжающую устройство энергией.

Вес ключа составляет от 20 до 50 миллиграмм, а его малые габариты позволяют имплантировать устройство под кожу головы животного, которая, для сравнения, весит порядка 2 граммов. Кроме этого, такой ключ можно имплантировать не только в область головного мозга, его свет можно направить на нейроны спинного мозга или нейроны нервных тканей, находящихся в конечностях животного, позволяя ученым экспериментировать с реакцией периферийной нервной системы.

При использовании новых оптогенетических ключей подопытное животное помещается внутрь так называемой резонансной камеры. Электромагнитное поле, создаваемое в этой камере, имеет частоту, совпадающее с резонансной частотой катушки ключа, и это позволяет получить максимальную эффективность беспроводной передачи энергии. Кроме этого, такой подход позволяет избежать необходимости использования следящих устройств и механических устройств, меняющих направление антенны направленного излучателя.

Создав опытный вариант оптогенетической системы, ученые сразу провели три эксперимента, производя стимулирование определенных участков мозга, спинного мозга и периферийной нервной системы. При стимулировании мозга были активизированы участки двигательных зон коры головного мозга, что вынудило животное двигаться по кругу внутри камеры. Влияя на определенные нейроны спинного мозга, ученые продемонстрировали возможность передачи сигналов, как в сторону головного мозга, так и в сторону периферии нервной системы.

И в заключение следует отметить, что благодаря работе Стэнфордских ученых, у исследователей во всем мире появился новый и удобный инструмент, который позволит осветить в буквальном смысле все тайны мозга и загадки, связанные с его функционированием.