Исследователи из Центра познания и социальности Института фундаментальных наук (IBS) в Южной Корее разработали улучшенный биологический инструмент, который контролирует уровень кальция (Ca2 +) в мозге с помощью синего света. Эта оптогенетическая конструкция, опубликованная в Nature Communications, называемая monster-OptoSTIM1 или monSTIM1 для краткости, вызывает изменение у мышей в поведении при обучении страху без необходимости имплантации оптических волокон в мозг.
Мозг использует передачу сигналов Ca2 + для регулирования множества функций, включая память, эмоции и движение. Несколько свидетельств показывают корреляцию между аномально регулируемыми уровнями Ca2 + в определенных клетках мозга и нейродегенеративными заболеваниями, но детали все еще остаются неясными. Чтобы понять точную роль передачи сигналов Ca2 +, команда IBS изучает Ca2 + -специфические модуляторы, которые могут запускаться в разных частях мозга в определенное время.
Оптогенетика использует свет для управления передачей сигналов Ca2 + в мозге мыши. Поскольку мозг окружен волосами, кожей и черепом, которые препятствуют проникновению света в глубокие ткани, вставка оптического волокна в мозг раньше была нормой в оптогенетике. Однако эти имплантаты могут вызывать воспаление, морфологические изменения нейронов и отключение нервных цепей. В этом исследовании исследовательская группа улучшила свой оптогенетический инструмент, чтобы он работал с внешним источником синего света, который светил с потолка клетки для мышей, и без необходимости в имплантатах мозга.
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 базальных уровней Ca2 +. Конструкция monSTIM1 была введена в мозг мыши через вирус, и было показано, что она активирует сигналы Ca2 + в коре головного мозга, 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 застыли от страха, глядя на других мышей, которые испытали легкий электрический шок. Двадцать четыре часа спустя те же самые мыши вспомнили об этом и снова продемонстрировали усиленную реакцию страха, что указывает на то, что передача сигналов Ca2 + вносит вклад как в краткосрочные, так и в долгосрочные реакции социального страха.
"MonSTIM1 может применяться в широком спектре исследований кальция в головном мозге и когнитивных исследований мозга, поскольку он позволяет легко манипулировать внутриклеточными сигналами кальция, не повреждая мозг," говорит Вон До Хо (профессор KAIST), ведущий автор этого исследования.