Исследователи Центра познания и социологии при Институте фундаментальных наук (IBS) в Южной Корее разработали улучшенный биологический инструмент, который контролирует уровень кальция (Ca2+) в мозге с помощью синего света. Опубликованная в журнале Nature Communications, эта оптогенетическая конструкция, названная monster-OptoSTIM1 или сокращенно monSTIM1, вызывает изменение поведения мышей при обучении страху без необходимости имплантации оптического волокна в мозг.
Мозг использует передачу сигналов Ca2+ для регулирования различных функций, включая память, эмоции и движения. Несколько доказательств показывают корреляцию между аномально регулируемыми уровнями Ca2+ в определенных клетках мозга и нейродегенеративными заболеваниями, но детали до сих пор остаются неясными. Чтобы понять точную роль передачи сигналов Ca2+, команда IBS изучает модуляторы, специфичные для Ca2+, которые могут запускаться в разных частях мозга в определенное время.
Оптогенетика использует свет для управления передачей сигналов Ca2+ в мозгу мышей. Поскольку мозг окружен волосами, кожей и черепом, которые препятствуют проникновению света в глубокие ткани, введение оптического волокна в мозг раньше было нормой в оптогенетике. Однако эти имплантаты могут вызывать воспаление, морфологические изменения нейронов и разъединение нейронных цепей. В этом исследовании исследовательская группа улучшила свой оптогенетический инструмент, чтобы он работал с внешним источником синего света, излучаемого с потолка мышиной клетки, и без мозговых имплантатов..
MonSTIM1 состоит из части (CRY2), которая реагирует на синий свет, и другой части (STIM1), которая активирует кальциевые каналы. По сравнению с ранее разработанными оптогенетическими методами исследователи смогли повысить светочувствительность CRY2 примерно в 55 раз, а также избежать повышения базального уровня Ca2+. Конструкция monSTIM1 была введена в мозг мыши через вирус, и было показано, что она активирует сигналы Ca2+ в коре, а также в более глубоких областях гиппокампа и таламуса.
Команда наблюдала поведенческие изменения у мышей с monSTIM1, экспрессируемым в возбуждающих нейронах передней поясной коры, области мозга, которая играет центральную роль в эмпатических эмоциях. Мыши с активированным monSTIM1 замерли от страха, глядя на других мышей, которые испытали слабый электрический ток стопы. Двадцать четыре часа спустя те же мыши вспомнили об этом и снова продемонстрировали усиленную реакцию страха, что указывает на то, что передача сигналов Ca2+ способствует как краткосрочным, так и долгосрочным реакциям социального страха.
«MonSTIM1 можно применять для широкого круга исследований кальция в мозге и исследований мозга в области когнитивных наук, поскольку он позволяет легко манипулировать внутриклеточными сигналами кальция без повреждения мозга», - говорит Вон До Хео (профессор KAIST), ведущий автор. этого исследования.