Что лежит в основе методов нейрофотоники? Как меняется ДНК при использовании оптогенетических технологий? Какие возможности для лечения нейродегенеративных заболеваний открывает новый тип оптоволоконных нейроинтерфейсов? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Алексей Желтиков.

Нейрофотоника — это новая область исследований. Она возникла на стыке нескольких наук, и прежде всего здесь речь идет о нейронауках — это науки, которые ставят своей целью понять, как устроена работа мозга, и это оптика, это оптические технологии, то, что мы называем фотоникой. Фотоника — это область науки, которая ставит своей целью попытаться управлять фотонами так же, как мы в электронике можем управлять электронами. То есть, когда мы говорим о нейрофотонике, речь идет об использовании оптических средств, оптических методов, оптических орудий, инструментов, для того чтобы решать задачи, проблемы исследования мозга. Важным методом нейрофотоники является средство оптогенетики — это также составное слово, как говорили герои «Алисы в Зазеркалье», это слово-кошелек, которое если открыть, то получатся две составные части: оптогенетика — оптика и генетика.

В основе методов оптогенетики лежит возможность генетически закодировать формирование искусственных каналов на поверхности мембраны, причем не просто искусственных каналов, а каналов, которые могут управляться светом, которые могут открываться светом. То есть имеется возможность изменения ДНК исследуемого животного таким образом, что мы генетически кодируем формирование каналов, вставляем искусственные каналы в мембрану так, что, освещая этот участок мембраны, мы формируем потенциал действия, нейрон срабатывает. Мы запускаем потенциал действия и таким образом запускаем ответную реакцию, мы можем после этого смотреть, как нейрон, нервная клетка, которую мы запустили, какую роль он играет в более сложных процессах, какую роль он играет в нейронной сети, каким образом он участвует в каких-то эпизодах памяти, обучения. То есть мы можем селективно, локально активировать отдельные нейроны, формирующие сложные сети в мозге.

С другой стороны, у нас есть возможность заставить замолчать нейроны, которые были готовы сформировать потенциал действия и активироваться, мы имеем возможность подавить нейронную активность. Методика такая же: мы доставляем генетически кодируемые искусственные каналы, создающие такое базовое напряжение, которое не позволяет сформироваться потенциалу действия, фактически запирающее напряжение. И очень важно, что мы можем проделывать эти операции с нужной группой нейронов, а не со всеми нейронами головного мозга. Мы можем выделить требуемые группы нейронов — нейроны, которые мы хотим активировать, нейроны, которые мы хотим заставить замолчать, — и таким образом ставить эксперимент. Это совершенно уникальная новая постановка эксперимента, раньше не было возможности таким образом ставить эксперимент.

Оптогенетические технологии развиваются примерно с 2004–2005 года, немного ранее были первые эксперименты, которые показывали возможность развития такой группы методов, но в последнее десятилетие такого рода экспериментальная деятельность развивается особенно активно.

Наша задача как физиков — оптимизировать оптические инструменты, оптические орудия оптогенетических экспериментов.

Мы работаем над тем, что создаем специальные оптические световоды, специальные волокна для доставки излучения, для того чтобы доставлять свет, который инициирует нейроны, активирует нейроны или, наоборот, заставляет нейроны молчать, а также свет, позволяющий нам регистрировать активность отдельных нейронов.

Оптическое волокно позволяет нам подключиться к определенным нейронам и посмотреть, как нейрон реагирует на оптическое возбуждение либо как нейрон, встроенный в сложный когнитивный процесс, участвует в этом процессе. Что нужно, чтобы реализовать такой оптогенетический эксперимент, что нужно, чтобы провести оптогенетический эксперимент с живой, причем не просто с живой, а свободно подвижной мышкой или каким-то более сложным животным? Основное требование связано с тем, что этот эксперимент должен проводиться не просто с живой мышкой, а с мышкой, которая находится в почти естественной среде обитания или даже просто в естественной среде обитания, то есть она должна жить нормальной жизнью. А измерения, если мы хотим исследовать самые сложные процессы обучения, формирования памяти, должны проводиться не в течение короткого времени, а час за часом, день за днем, неделя за неделей, месяц за месяцем. Поэтому ключевым орудием такого эксперимента является оптическое волокно.

В нашей лаборатории нейрофотоники и оптогенетики, которая была создана в отделе нейронаук, руководимом Константином Владимировичем Анохиным, в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт», были разработаны специальные оптоволоконные нейроинтерфейсы. То есть здесь еще одно сложное слово, составное слово — нейроинтерфейс — интерфейс, который позволяет связать лазерное излучение и нейрон или группу нейронов. Мы умеем связывать лазерное излучение с одним нейроном. Мы можем это сделать, потому что мы умеем изготовлять сложные волокна, мы работали над этой технологией достаточно длительное время и научились изготавливать специальные волокна, структура которых может быть очень сложной и в состав которой могут входить очень тонкие отдельные каналы, по которым можно передавать лазерное излучение в виде лучей с очень маленьким поперечным размером. А нейрон — это довольно большая клетка, несколько микронов, поэтому имеется возможность оптически возбуждать отдельные нейроны с помощью специальных волокон. То есть, конечно, не все задачи еще решены, но на принципиальном уровне эта задача решена благодаря нашим исследованиям.

Но это, конечно, не конец истории. Самое важное, что нам удалось достичь, — нам удалось решить проблему долговременных измерений в глубоких областях мозга. Эта задача очень важна для того, чтобы иметь возможность исследовать самые сложные процессы высшей нервной деятельности, такие как обучение, формирование памяти. Для этого необходимо иметь возможность производить измерения в течение длительного времени и желательно с одним и тем же животным. Вообще-то это есть уникальная модальность эксперимента. До того, как нам удалось разработать такие оптоволоконные нейроинтерфейсы, эксперименты этого класса проводились на группе животных, и после определенного времени животное убивалось, и исследовался его мозг, измерялось накопление определенного типа белков, которые служили индикатором накопления знания, памяти. Но после этого было сложно сравнивать результаты, полученные с различными животными, друг с другом, не говоря уж о том, что приходилось убивать много мышек.

Теперь у нас есть возможность, благодаря новому типу оптоволоконных нейроинтерфейсов, разработанных в нашей лаборатории, проводить такие эксперименты с одним животным.

Животное оперируется, и в его мозг имплантируется одна часть такого оптоволоконного нейроинтерфейса. То есть в нужную область мозга вставляется металлический канал, который защищает небольшой участок, небольшой кусочек оптического волокна, и снаружи над черепом мышки остается ответная часть, оптоволоконный коннектор, и всякий раз, когда нам нужно выполнить измерения согласно протоколу наших исследований, мы используем измерительную часть волокна, подключая ее к стандартному разъему, стандартному коннектору, и снимаем нужный сигнал. Это волокно служит для доставки возбуждающего излучения и для сбора оптического сигнала из мозга. Таким образом, мы имеем возможность опрашивать оптическим образом различные участки мозга, получая информацию о том, в каком функциональном состоянии они находятся. Мы теперь можем это делать, производя измерения в течение длительного времени, обращаясь к одной и той же группе нейронов, в пределе к одному и тому же нейрону. Используя весь арсенал методов оптогенетики, мы сможем возбуждать определенные отдельные клетки или группу нейронов либо подавлять их активность, производя оптические измерения.

На настоящий момент мы научились проводить операции над мышками таким образом, что прооперированные мышки не только в смысле своих обычных параметров, таких как температура, вес тела, но и в смысле своего поведенческого отклика никак не отличаются от нормальных мышек. Мы специально это проверяли, были специально выполнены поведенческие стандартные тесты, которые показывают, что прооперированные мышки, мышки с имплантированным коннектором, частью оптоволоконного интерфейса, никак не отличаются в смысле поведения от нормальных мышек, которых никто не оперировал. То есть можно выполнять такие эксперименты, и мы уже выполнили первые эксперименты, показав, как работают различные части мозга.

Конечно, важно видеть большую картину, важно видеть общую картину того, как можно использовать результаты этих исследований, как можно использовать эти новые средства эксперимента в области нейронаук. Прежде всего, основная задача наших исследований — дать в руки нейробиологов новые мощные оптические средства эксперимента для решения фундаментальных проблем мозга, для того чтобы понимать фундаментальные проблемы формирования памяти, обучения. Конечным приложением таких методов также можно себе представить новые методы лечения нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона. С помощью оптических волокон мы можем достигать глубоких слоев мозга. Уже сейчас мы видим, как, подключаясь к определенным нужным областям мозга, мы можем стимулировать определенного типа поведенческий отклик у мышки. То есть, включая свет, мы можем заставлять мышку бежать, например, в левую сторону или, подключившись к другой области, возбуждая другую область моторной коры, можем заставлять ее бежать в противоположную сторону. Можно себе представить группу методов, оптических методов, которые позволят лечить психические расстройства путем стимулирования глубоких слоев мозга. В настоящее время методы стимулирования глубоких слоев мозга используются как методы лечения, как способ лечения психических расстройств, таких как депрессия, например.

В будущем, мы надеемся, можно будет использовать оптические методы, чтобы снизить степень травматизма в момент лечения, в момент введения зонда — в данном случае оптического волокна — в мозг. При этом степень травматизма по сравнению с лечением с помощью электрофизиологических зондов, конечно, будет существенно снижена, потому что волокно может быть сделано гораздо более тонким. Конечно, мы одним из приложений видим возможность включения наших оптоволоконных нейроинтерфейсов в процесс диагностики восстановления больных после различного рода нейротравм.

Автор: Алексей Желтиков

доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. Ломоносова, руководитель исследовательской группы «Передовая фотоника» Российского квантового центра