Нобелевка за оптогенетику: новая эра в исследованиях мозга

Петер Хегеманн заглядывает в глаз хламидомонады

Всё началось с того, что Петер Хегеманн задался вопросом, как одноклеточная зелёная водоросль хламидомонада способна плыть к источнику света. Хламидомонада известна своей способностью плыть к свету. Она воспринимает свет с помощью «глазного пятна» — оранжевой точки на поверхности клетки. Хегеманн исследовал это глазное пятно: используя крошечные электроды, он измерил электрические сигналы, возникающие у хламидомонады при освещении глазного пятна. Водоросли реагировали невероятно быстро: всего через полмиллисекунды после того, как свет достигал глазка, возникал электрический импульс.

Это удивительно быстро: свет, достигающий человеческого глаза, запускает многоэтапную химическую цепную реакцию, конечным этапом которой является открытие ионного канала — специальный белок создаёт отверстие на поверхности клетки-рецептора, через которое могут проходить заряженные ионы, создавая электрический сигнал. Весь процесс занимает не менее 10 миллисекунд.

Хегеманн смог придумать лишь одно объяснение: этот процесс у хламидомонады должен быть гораздо проще. В начале 1990-х годов он сформулировал гипотезу, что в глазке хламидомонады есть белок, который одновременно захватывает фотон и действует как ионный канал. В то время исследователям было известно о многих типах ионных каналов, но ни один из них не мог реагировать на свет самостоятельно.

Хегеманн долго пытался выделить светочувствительный белок хламидомонады, и наконец, на рубеже тысячелетий, после многих лет неудач, этот белок был найден. Японские исследователи картировали ДНК хламидомонады и предоставили всем исследователям доступ к её генетическим записям, включающим тысячи генов. Среди них группа Хегеманна обнаружила два гена, которые имели значительное сходство с известными генами светочувствительных белков.

Георг Нагель открывает удивительный белок

Второй нынешний лауреат, Георг Нагель, использовал яйцеклетки лягушек для изучения этих двух белков. Он ввёл копии этих двух генов хламидомонады по отдельности в разные партии лягушачьих яйцеклеток, и те начали массово производить два неизвестных белка, которые вскоре оказались на поверхности яйцеклеток, в окружающей их мембране. Нагель стал исследовать, как они функционируют, и обнаружил, что гипотеза, сформулированная Хегеманном десятилетием ранее, верна: вновь открытые белки представляли собой ионные каналы, которые открывались при воздействии света. Эти белки получили названия «каналородопсин-1» и «каналородопсин-2». При освещении синим светом в каналородопсине открывается канал, заряженные ионы поступают в клетку, вызывая электрический импульс.

Хегеманн и Нагель поняли, что совершили революционное открытие. Они провели эксперимент по введению гена каналородопсина-2 в эмбриональные клетки почек человека и в клетки почек хомяков. Клетки стали светочувствительными: при воздействии света они генерировали электрический сигнал. В какую бы клетку ни вводили этот белок, клетки становились светочувствительными. В 2003 году Хегеманн и Нагель опубликовали результаты своего эксперимента. Они предположили, что каналородопсин может быть использован в качестве мощного инструмента для генерации электрических импульсов в клетках с помощью света.

Карл Дейссерот управляет мышами

Третий из лауреатов, Карл Дейссерот, превратил каналородопсин в управляемый светом переключатель, способный включать и выключать нужные нейроны. Дейссерот ввёл ген каналородопсина в нейроны крыс. Освещая клетки синим светом, он смог запустить нервный сигнал. Позже он заставил этот управляемый светом переключатель для нервных клеток работать в мозге живых мышей.

Этот метод управления нервными сигналами с помощью света теперь и называется оптогенетикой. Суть метода в том, что в ДНК нейрона встраивается ген белка каналородопсина, нейрон начинает производить этот белок — и теперь этим нейроном можно управлять с помощью света: если посветить на него синим, нейрон передаёт другим клеткам сигнал.

В 2007 году Дейссерот успешно активировал нервные клетки в мозге живых мышей (до этого он работал с нейронами крыс в чашке Петри). Его исследовательская группа ввела ген каналородопсина в нейроны определённого типа в моторной коре — области мозга, отвечающей за движение. Затем они осветили эти нейроны тонким оптическим волокном, которое ввели в мозг через небольшое отверстие в черепе. Это позволило исследователям управлять движениями вибрисс мышей.

В том же году Дейссерот использовал оптогенетику для контролируемого пробуждения спящих мышей. Каналородопсин ввели в недавно обнаруженный тип нервных клеток, которые, как предполагали, контролируют бодрствование. Когда свет направили на нервные клетки, мыши проснулись, подтвердив гипотезу.

Ещё одна известная работа, связанная с зарождением оптогенетики, была опубликована в 2012 году. В ней Дейссерот успешно активировал энграмму — специфическую последовательность нейронных путей, которая формируется при создании воспоминания. Исследователи изучали мозг мышей, испытывавших страх, и отмечали, какие нервные клетки формируют воспоминание об этом опыте. Когда позже они повторно активировали эти нервные клетки, мыши проявляли признаки страха, несмотря на то что им ничего не угрожало. Это был первый эксперимент, в котором смогли точно продемонстрировать, какие именно нервные клетки необходимы для формирования конкретного воспоминания.

Что может оптогенетика

Благодаря оптогенетике теперь можно точно определить, какие именно нервные клетки контролируют различные функции мозга. Например, идентифицировали нейронные цепи, которые регулируют чувство боли, социальное поведение, жажду, потребление пищи, систему вознаграждения и внимание. Обнаружили и отдельные нервные клетки, ответственные за различные функции, от контроля циркадного ритма до возникновения озноба при активации иммунной системы.

Когда исследователи изучали более сложные модели поведения, такие как уход мышей за потомством, они показали с помощью оптогенетики, что различные компоненты поведения могут контролироваться отдельными нейронными цепями. Одна цепь, например, регулирует, как мыши собирают своих детёнышей в гнездо, а другая — как они их чистят. Так и нашим поведением управляют не просто разные «психические органы» (например, мотивы или внимание), а разные функциональные нервные сети. А значит, оптогенетика может помочь психологии наконец обрести твёрдую опору — построить реалистичную «карту психики», выявить существующие на самом деле механизмы работы психики.

Оптогенетика уже приобрела важнейшее значение в понимании того, как нейроны формируют воспоминания, чувства и поведение в живом мозге. На сайте Нобелевского комитета пишут, что «лауреаты заложили основу новой эры в нейробиологии».

О таком методе действительно мечтал Фрэнсис Крик, посвятивший себя после открытия структуры ДНК поискам сознания. Используя свет, исследователи теперь могут включать или выключать отдельные нейронные цепи в мозге. Они могут оживлять воспоминания, создавать чувства, управлять поведением и изучать типы нейронов, участвующих в различных психических и неврологических расстройствах. Оптогенетика коренным образом меняет наше понимание мозга — и это только начало!