Genetisch gemanipuleerd ‘Magneto’-eiwit controleert de hersenen en het gedrag van op afstand

De toroïdale magnetische kamer (Tokamak) van de Joint European Torus (JET) in het Culham Science Center.  Foto: AFP / Getty Images
De toroïdale magnetische kamer (Tokamak) van de Joint European Torus (JET) in het Culham Science Center. Foto: AFP / Getty Images

“Badass” nieuwe methode dat gebruik maakt van een gemagnetiseerd eiwit om de hersencellen snel, omkeerbaar en niet-invasief te activeren.

Onderzoekers in de Verenigde Staten hebben een nieuwe methode ontwikkeld om hersencircuits die verband houden met complex dierlijk gedrag, te controleren. Door middel van genetische manipulatie creëert men een ​​gemagnetiseerd eiwit dat specifieke groepen zenuwcellen van op afstand activeert.

Eén van de ultieme doelen van neurowetenschappen en één van de moeilijkste vragen, is begrijpen hoe de hersenen gedrag genereren. De afgelopen jaren hebben onderzoekers tal van methodes ontwikkeld dat hen in staat stelt specifieke groepen van neuronen van op afstand te controleren en de werking van neuronale circuits te onderzoeken.

De methode optogenetica is de krachtigste methode waarmee onderzoekers populaties van gerelateerde neuronen kunnen in- of uitschakelen op een milliseconde-voor-milliseconde tijdschaal met pulsen van laserlicht. Een andere recent ontwikkelde methode, chemogenetica genaamd, maakt gebruik van gemanipuleerde eiwitten die door designergeneesmiddelen worden geactiveerd en die op specifieke celtypen kunnen gericht worden.

Hoewel ze krachtig zijn, hebben beide methoden nadelen. Optogenetica is invasief en vereist het inbrengen van optische vezels die de lichtpulsen in de hersenen afgeven en bovendien is de mate waarin het licht doordringt in het dichte hersenweefsel ernstig beperkt. De chemogenetische benaderingen hebben geen last van deze beperkingen, maar zijn doorgaans trager omdat ze biochemische reacties opwekken die enkele seconden nodig hebben om zenuwcellen te activeren.

De nieuwe techniek die is ontwikkeld in het laboratorium van Ali Güler aan de Universiteit van Virginia in Charlottesville, en beschreven is in een online publicatie van het tijdschrift Nature Neuroscience, is niet alleen niet-invasief, maar kan ook neuronen snel en omkeerbaar activeren.

Verschillende eerdere onderzoeken hebben aangetoond dat zenuwceleiwitten die worden geactiveerd door hitte en mechanische druk genetisch gemanipuleerd kunnen worden. Door ze te hechten aan ferritine, een ijzeropslageiwit, of aan anorganische paramagnetische deeltjes worden ze gevoelig voor radiogolven en magnetische velden. Deze methoden vormen een belangrijke stap vooruit – ze zijn bijvoorbeeld al gebruikt om de bloedglucosespiegel bij muizen te reguleren – maar er zijn meerdere componenten bij betrokken die apart moeten worden ingebracht.

De nieuwe techniek bouwt voort op dit eerdere werk en is gebaseerd op een eiwit genaamd TRPV4, die gevoelig is voor zowel temperatuur als strekkrachten. Deze stimuli openen de centrale porie, waardoor elektrische stroom door het celmembraan kan stromen; dit roept zenuwimpulsen op die naar het ruggenmerg en vervolgens de hersenen gaan.

Güler en zijn collega’s redeneerden dat magnetische koppelkrachten (of roterende krachten) TRPV4 zouden kunnen activeren door de centrale porie open te trekken. Daarom gebruikten ze genetische manipulatie om het eiwit te fuseren met het paramagnetische gebied van ferritine tezamen met korte DNA-sequenties. Deze laatste zetten de cellen aan de eiwitten te transporteren naar het zenuwcelmembraan om ze vervolgens in het membraan te integreren.

In vivo manipulatie van het gedrag van zebravissen met Magneto. Zebravislarven vertonen een rolgedrag als reactie op gelokaliseerde magnetische velden. Van Wheeler et al (2016).

Toen ze dit genetische construct introduceerden in menselijke embryonale niercellen die in petrischalen groeiden, synthetiseerden de cellen het ‘Magneto’-eiwit en plaatsten het in hun membraan. Toepassing van een magnetisch veld activeerde het gemanipuleerde TRPV1-eiwit, zoals blijkt uit de tijdelijke verhoging van de calciumionenconcentratie in de cellen. Dit werd gedetecteerd met een fluorescentiemicroscoop.

Vervolgens hebben de onderzoekers de Magneto-DNA-sequentie in het genoom van een virus ingebracht, samen met het gen dat codeert voor groen fluorescerend eiwit, en met regulerende DNA-sequenties die ervoor zorgen dat het construct alleen tot expressie wordt gebracht in specifieke typen neuronen. Vervolgens injecteerden ze het virus in de hersenen van muizen, gericht op de entorinale cortex, en ontleedden ze de hersenen van de dieren om de cellen te identificeren die groene fluorescentie uitzonden. Met behulp van micro-elektroden toonden ze vervolgens aan dat het aanleggen van een magnetisch veld op de hersenschijfjes Magneto activeerde, zodat de cellen aangezet worden zenuwimpulsen produceren.

Om te bepalen of Magneto kan worden gebruikt om neuronale activiteit bij levende dieren te manipuleren, injecteerden ze Magneto in zebravislarven. Het experiment was gericht op de neuronen in de romp en de staart die normaal gesproken een ontsnappingsreactie regelen. Vervolgens plaatsten ze de zebravislarven in een speciaal gebouwd gemagnetiseerd aquarium en ontdekten dat blootstelling aan een magnetisch veld opwindende manoeuvres veroorzaakte die vergelijkbaar waren met die tijdens de ontsnappingsreactie. (Bij dit experiment waren in totaal negen zebravislarven betrokken, en daaropvolgende analyses lieten zien dat elke larve ongeveer 5 neuronen bevatte die Magneto tot expressie brengen.)

Onderzoekers lezen en schrijven hersenactiviteit met licht

In een laatste experiment injecteerden de onderzoekers Magneto in het corpus striatum van zich vrij gedragende muizen. Het striatum is een diepe hersenstructuur met dopamine-producerende neuronen die betrokken zijn bij beloning en motivatie. Vervolgens werden de dieren in een apparaat geplaatst met gemagnetiseerde en niet-gemagnetiseerde secties. Muizen die Magneto tot expressie brachten, brachten veel meer tijd door in de gemagnetiseerde gebieden dan muizen die dat niet deden. Omdat activering van het eiwit ervoor zorgde dat de striatale neuronen dopamine vrijgaven was het voor deze muizen aangenamer vertoeven in de gemagnetiseerde gebieden. Dit toont aan dat Magneto op afstand het afvuren van neuronen diep in de hersenen kan regelen, en bijgevolg complexe gedragingen kan beheersen.

Neurowetenschapper Steve Ramirez van Harvard University, die optogenetica gebruikt om herinneringen in de hersenen van muizen te manipuleren, zegt dat de studie ” badass ” is.

“Eerdere pogingen [om met behulp van magneten neuronale activiteit te beheersen] hadden meerdere componenten nodig om het systeem te laten werken – magnetische deeltjes injecteren, een virus injecteren dat een warmtegevoelig kanaal tot expressie brengt, [of] het hoofd fixeren van het dier zodat een spiraal veranderingen kan veroorzaken in magnetisme, ”legt hij uit. “Het probleem met een systeem met meerdere componenten is dat er zoveel ruimte is voor elk afzonderlijk onderdeel om af te breken.”

“Dit systeem is een enkel, elegant virus dat overal in de hersenen kan worden geïnjecteerd, waardoor het technisch gemakkelijker en minder waarschijnlijk is dat bewegende toeters en bellen kapot gaan”, voegt hij eraan toe, “en hun gedragsapparatuur is slim ontworpen om magneten te bevatten waar nodig zodat de dieren zich vrij kunnen bewegen. “

‘Magnetogenetica’ is daarom een ​​belangrijke aanvulling op de gereedschapskist van neurowetenschappers, die ongetwijfeld verder ontwikkeld zal worden, en onderzoekers nieuwe manieren biedt om de ontwikkeling en functie van de hersenen te bestuderen.

Referentie

Wheeler, MA, et al . (2016). Genetisch gerichte magnetische controle van het zenuwstelsel. Nat. Neurosci ., DOI: 10.1038 / nn.4265 [ Abstract ]

bron

Lees ook in Nature

(Help ons. Deel dit artikel a.u.b.)

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

achttien − 7 =

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.