Управление животными с помощью фотоники: сенсоры в мозгу

«Что такое оптогенетика? Это использование генетически кодируемых молекул-индикаторов, которые могут служить сенсорами протекающих в клетках биологических процессов и способны за счет своих оптических свойств (флуоресценции под действием лазерного излучения или собственной люминесценции) сообщать об этом исследователям, — говорит Константин Анохин, руководитель отдела нейронаук НИЦ "Курчатовский институт", заведующий лабораторией нейробиологии памяти НИИ нормальной физиологии РАМН. — Это так называемая прямая оптогенетика. А есть еще и обратная — это использование генетически кодируемых молекул-актуаторов, которые при их возбуждении светом способны изменить работу клетки. Среди актуаторов чаще всего сейчас используют ионные каналы бактерий или водорослей. Если с помощью генетического кодирования вставить эти каналы в мембраны клеток млекопитающих, они в ответ на свет определенных длин волн будут открываться, пропуская ионы и тем самым изменяя электрический потенциал клеток. Наибольшее применение оптогенетика получила при изучении клеток нервной системы, в особенности мозга».

Первые эксперименты в области оптогенетики были проведены в лабораториях Йельского университета, Калифорнийского университета в Беркли и Стэнфорда всего лишь около десятилетия назад, но метод уже заслужил репутацию революционного в среде нейробиологов. «В коре головного мозга множество различных типов нейронов, которые выполняют разные функции, — объясняет Константин Анохин. — Эти нейроны объединены в сети, которые, собственно, и есть мозг. Чтобы понять, как работают эти сети, нужно вмешаться в их работу. Раньше это достигалось методами "ковровых бомбардировок". Представьте себе мозг в виде мегаполиса, в котором действует очень маленькая, в десяток человек, шпионская сеть. Так вот раньше, чтобы узнать механизм работы этой сети, мы, условно говоря, сбрасывали на город атомную бомбу, поскольку никакого другого оружия у нас не было. Оптогенетику же можно сравнить по избирательности с точечными ударами: сенсоры или актуаторы можно вставить, например, только в нужный тип клеток и воздействовать именно на них. Это предоставляет ученым недостижимую ранее избирательность в воздействии и возможность понимания тонких механизмов работы отдельных элементов сетей в мозге».

Второй важный момент, характерный для оптогенетики, — это возможность двунаправленного прецизионного управления работой сетей в головном мозге. Раньше для стимуляции отдельных областей использовались электрические импульсы, подаваемые на вживленные в мозг электроды, но такое воздействие позволяет лишь возбуждать нейроны, и, кроме того, оно достаточно грубо и «инерционно». С помощью оптогенетики воздействие можно сделать очень тонким, то есть отрабатывать даже очень короткие импульсы и не только возбуждать, но и затормаживать нужные нейроны. Последнее может сыграть важную роль не только в фундаментальной нейробиологии, но и в прикладной медицине: например, вводя актуаторы в нейроны в очаге эпилептической активности и включив «торможение», можно прервать приступ эпилепсии.

Оптические методы и системы для экспериментов, проводимых в лаборатории нейронаук НИЦ «Курчатовский институт», разрабатывают в лабораториях физического факультета МГУ и Российского квантового центра. «Оптоволоконные интерфейсы — это инструмент для широкого класса задач, которые не ограничиваются оптогенетикой, — говорит заведующий лабораторией фотоники и нелинейной спектроскопии физфака МГУ, руководитель группы "Передовая фотоника" Российского квантового центра Алексей Желтиков. — Для оптогенетики мы не стали ограничиваться обычными оптическими волокнами (окруженная оболочкой кварцевая сердцевина, в которой благодаря полному внутреннему отражению "запирается" световой импульс), а стали разрабатывать новые типы световодов — микроструктурированные и фотонно-кристаллические».

Что такое фотонные кристаллы? Это, объясняет Алексей Желтиков, одно-, двух- или трехмерные структуры с периодом порядка длины волны: «Такое строение придает фотонным кристаллам необычные оптические свойства — скажем, в некоторых направлениях свет может распространяться, а в других — нет. Фотонные кристаллы существуют в природе: чешуя рыб, крылья бабочек или перламутр обязаны своими радужными цветами именно периодической структуре. Микроструктурированные и фотонно-кристаллические световоды также имеют сложную поперечную структуру, от ее геометрии зависят фундаментальные свойства светового поля. Меняя геометрию и содержание воздуха в волноводе, можно получить волокно с различными свойствами. Управляя дисперсией, то есть показателем преломления для различных длин волн, можно добиваться того, что распространяющийся внутри лазерный импульс будет удлиняться, укорачиваться или оставаться неизменным. Управлять можно не только дисперсией: окружив кварцевую сердцевину воздушным промежутком, можно увеличить нелинейность волокна и получить нелинейные оптические эффекты даже при невысоких мощностях импульсов».

Конечно, для оптогенетических нейроинтерфейсов можно обойтись намного более простыми решениями. Но в лаборатории Алексея Желтикова разрабатывают и другие методы исследования биологических систем, основанные на нелинейных оптических эффектах. Основная проблема состоит в том, что эти эффекты требуют высокой интенсивности светового излучения. В биологической ткани происходит ионизация, которая запускает множество фотохимических реакций, а энергия импульса поглощается и разрушает клетку. Поэтому одна из важнейших задач в нелинейной микроскопии — получение как можно более коротких импульсов, при этом можно значительно увеличить интенсивность, но снизить общую энергию импульса. Вот для этого-то и используются фотонно-кристаллические волокна с нужными параметрами, где лазерный импульс по мере прохождения «сжимается».

Типичный пример нелинейного оптического эффекта — двухфотонная микроскопия, то есть люминесценция при резонансном поглощении двух фотонов. В качестве метки обычно используют известный зеленый флуоресцентный белок GFP, ген которого вводят в нужные клетки. Двухфотонная флуоресценция позволяет избирательно «зажигать» нужные области образца под воздействием излучения ближнего ИК-диапазона. Преимущество такого подхода в том, что ИК-излучение проникает в биологические ткани глубже, чем видимое, так что этим методом можно визуализировать в образце области на глубине порядка 1 мм.

«Метод двухфотонной люминесценции требует наличия в клетках образца метки — белка GFP. Но можно сделать так, что метка вообще будет не нужна! — говорит Алексей Желтиков. — Ведь у каждой молекулы есть своя собственная частота колебаний, и это ее метка. И если мы видим рассеяние света на данных частотах, мы можем сделать вывод о наличии данных молекул. На этом основана CARS-микроскопия, которая использует эффект когерентного антистоксова рассеяния света. Но обычно для CARS нужен перестраиваемый по частоте лазер, а это сильно усложняет конструкцию микроскопа. В нашей лаборатории мы нашли способ обойтись без отдельного перестраиваемого лазера: мы используем основной лазерный пучок и специально разработанное фотонно-кристаллическое волокно, которое позволяет сдвигать импульсы по частоте».