Как управлять памятью - Технологии изучения клеточных механизмов памяти

Что, если создать трансгенных мышей, у которых, как и у уже рассмотренных, промотор немедленных ранних генов находится под контролем системы tTA-tetO или Cre/loxP, но под промотором помимо гена флуоресцентного маркера находится последовательность, кодирующая опсин -- светочувствительный белок [27]? А то, что мы сможем не просто видеть модифицированные нейроны, но и управлять их активностью -- стимулируя светом (рис. 9) [28]. Здесь нужно вспомнить, что срабатывание нейрона основано на прохождении ионного тока через каналы в его цитоплазматической мембране.

В покоящемся состоянии цитоплазма нейрона заряжена отрицательно относительно внеклеточной среды, то есть его мембрана поляризована [29].

Возбуждение проявляется тем, что каналы открываются, и катионы устремляются внутрь клетки, деполяризуя мембрану. Опсины, которые мы будем использовать (впервые добытые из клеток бактерий и водорослей), встраиваются в цитоплазматическую мембрану и при освещении определенной длины волны меняют свою конформацию, начиная пассивно пропускать катионы по градиенту концентрации (каналродопсин, СhR2) либо даже работать в качестве насоса и активно перекачивать анионы внутрь клетки (галородопсин, NpHR) [30].

В первом случае происходит деполяризация мембраны, и нейрон срабатывает. Во втором случае мембрана гиперполяризуется*, и клетка становится нечувствительной к раздражению. Таким образом, мы получаем возможность искусственно активировать или подавлять конкретные воспоминания. Название подобных технологий -- оптогенетика**.

принцип действия канал- и галородопсинов. рисунок с сайтаlookfordiagnosis.com

Рисунок 9. Принцип действия канал - и галородопсинов. Рисунок с сайтаlookfordiagnosis. com.

оптогенетические (вверху)и хемогенетические (внизу) технологии для манипулирования сетями памяти. рисунок из [36]

Рисунок 10. Оптогенетические (вверху)и хемогенетические (внизу) технологии для манипулирования сетями памяти. Рисунок из [36].

Особенно любопытен опыт, ставший возможным благодаря оптогенетике, в котором у мышей удалось произвести искусственное обучение. Авторы использовали систему tTA-tetO с доксициклином, а также каналродопсин для искусственного манипулирования нейронами. Вначале они предлагали мышам исследовать обстановку "А" и оптогенетически захватывали активирующуюся при этом популяцию нейронов. Затем они помещали мышей в другую обстановку -- "B" -- и наносили им удары током, одновременно активируя светом захваченную популяцию нейронов, сохранившую воспоминание об обстановке "А". Последующая проверка показывала, что эта популяция связывалась у мышей с болевым стимулом: у животных возникала боязнь* как при помещении их в обстановку "А", так и при прямой активации светом захваченных нейронов в совершенно посторонней обстановке [33].

Ограничение оптогенетики, однако, в том, что область досягаемости светового луча позволяет стимулировать лишь небольшую часть клеток захваченной популяции (стимуляция проводится с помощью все тех же технологий, что и прижизненный имиджинг, см. рис. 6). Этой проблемы не возникало бы, если бы можно было стимулировать сеть химически, а не оптически. Такие технологии называются хемогенетика.

Возьмем хотя бы уже знакомых нам трансгенных мышей TetTag, обладающих c-fos-опосредованной экспрессией фермента LacZ. После того как мы пометили этим ферментом некоторое воспоминание, можно использовать тот факт, что пролекарственное вещество daun02 под действием LacZ превращается в антибиотикдаунорубицин, вызывающий апоптоз клеток и блокировку ионных каналов [34]. То есть, вводя daun02, мы необратимо подавляем это воспоминание.

Вообще, большинство методов хемогенетики основано на внедрении в нервную систему встраивающихся в мембраны нейронов трансгенных рецепторов. С помощью известных нам подходов их экспрессию можно сделать зависимой от немедленных ранних генов и разрешенной только в промежуток времени эксперимента -- чтобы захватывать сеть воспоминания для последующего влияния на нее через эти рецепторы. Очень успешен метод с внедрением искусственно созданных рецепторов под названием DREADDs (designer receptors exclusively activated by designer drugs). Они реагируют с синтетическим веществом, производным клозапина (CNO, сlozapine N-oxide). При этом с эндогенными химическими веществами организма ни CNO, ни сами рецепторы не реагируют. Созданы две разновидности этих рецепторов: hM3Dq при введении CNO вызывают деполяризацию нейронов, а hM4Di -- гиперполяризацию. Соответственно, возможны активация либо подавление воспоминаний, причем, в отличие от предыдущего метода, обратимые (рис. 10) [35].

Ст?ит отметить, что химическое вещество воздействует на рецепторы более продолжительно (минуты или часы), чем свет на опсины (миллисекунды), и, соответственно, от применяемой технологии зависит более или менее длительный активирующий или подавляющий эффект на память [36]. В связи с этим интересно упомянуть опыт, аналогичный уже описанному, но использующий вместо каналродопсина CNO и рецепторы hM3Dq. Пройдя ту же схему эксперимента, мыши не выказывали страха ни к обстановке "А", ни к обстановке "В". Зато они пугались при предъявлении обстановки "В" одновременно с химической стимуляцией сети памяти об обстановке "А". По-видимому, за счет продолжительности воздействия химического препарата, а также его циркуляции по всей коре (в опыте с использованием оптогенетики проводилась прицельная стимуляция лишь конкретного, небольшого участка сети памяти), у животных создавалось гибридное воспоминание, отражающее нечто среднее между обстановками "А" и "В", с которым и ассоциировался болевой стимул [37].

Похожие статьи




Как управлять памятью - Технологии изучения клеточных механизмов памяти

Предыдущая | Следующая