Нобелевская премия за оптогенетику

Последний раз нейробиологи получали премию в 2017 году за суточные ритмы и в 2014 году за систему пространственной ориентации в гиппокампе (клетки места). Спустя 9 лет премию присудили за открытие, которое перевернуло нейробиологические исследования. Думаю, предыдущим изобретением сопоставимой важности была функциональная МРТ. И так как премию дали за открытие в области молекулярной нейробиологии, я решил, что надо обязательно рассказать о нем в канале (хотя именно про молекулярную психиатрию я рассказываю не так часто, как следовало бы).

Я множество раз рассказывал школьникам (в прошлой российской жизни я раз в неделю перевоплощался в учителя) про то, как по нервным волокнам бегают электрические импульсы. Рассказывать об этом в тексте не так заманчиво как с мелом у доски, но давайте вкратце обрисуем процесс. В покое специальные насосы загоняют ионы натрия в клетку, а ионы калия, наоборот, выбрасывают, создавая химический градиент - натрий хочет пробраться внутрь, а калий - вырваться на свободу. По гениальной задумке Создателя, через клеточную мембрану может немножко просачиваться калий, а натрий совсем никак. Вместе с положительными ионами калия из клетки вытекает электрический заряд, отчего следующим ионам калия за границей уже не так рады (одинаковые заряды отталкиваются aka закон Кулона). Когда химический градиент уравнивается с электрическим, наступает равновесие. Разница потенциалов в этот момент это мембранный потенциал, он различается между клетками, в нейронах -70 мВ. В возбудимых тканях - нервной и мышечной, он называется потенциалом покоя. Для наглядности смотрите мультик от гениальных Osmosis.

Теперь, когда клетку активируют внешние импульсы (химические, механические или тепловые), соответствующие рецепторы открываются, и в клетку врывается запретный натрий. Он несет положительный заряд, а значит разница потенциалов (мембранный потенциал) снижается (деполяризация), на что реагируют специальные потенциалзависимые ионные каналы (1). Петля обратной связи (больше натрия - меньше потенциал) распространяется по мембране вместе с растекающимися вдоль нее ионами натрия - это и есть потенциал действия aka нервный (хотя в мышцах механизм такой же) импульс (2). Аналогичные каналы для калия открываются с задержкой (еще одна гениальная идея Создателя) и приводят потенциал в исходное положение (3-4). Пока насос не вернет ионы на свои исходные позиции, мембрана невозбудима, а значит импульс распространяется только в одну сторону (5). В синаптических контактах возбуждающие нейромедиаторы (точнее их рецепторы), в первую очередь глутамат, запускают в клетку натрий, провоцируют развитие нервного импульса, в тормозные нейромедиаторы (ГАМК) открывают каналы для отрицательных ионов хлора, которые делают мембрану еще более заряженной (гиперполяризация), снижая вероятность распространения нервного импульса. Смотрите следующий мультик.

Возвращаемся к оптогенетике. В митохондриях и хлоропластах (пластидах) эукариотических организмов сложная система химических реакций в итоге приводит к тому, что протоны перемещаются на одну сторону мембраны, а электроны остаются на другой. По тому же закону Кулона положительные протоны так рьяно стремятся в объятия отрицательных электронов, что если пустить их черех маленький шлюз, их жгучая любовь будет крутить турбину, которая запасает энергию в виде молекул АТФ. А вот у бактерий клетки маленькие, так что можно обойтись без посредников - светочувствительные каналы запускают внутрь ионы, и их движение напрямую обеспечивает энергией разные химические реацкии.

Так вот! В 2002 году Peter Hegemann и Georg Nagel открыли белок каналородопсин, который отвечает за фотометаболизм бактерий, а через год продемонстрировали, что вставив его в ооциты (яйцеклетки) шпорцевой лягушки (классическая модель для изучения функций белков), можно вызывать на их мембране слабые электрические импульсы. В 2005 году нейробиолог и психиатр Karl Deisseroth вдохновившись пророческой идеей Френсиса Крика (который структуру ДНК открыл), вживил каналородопсин в культуру мышиных нейронов и продемонстрировал, что свет запускал в них электрические разряды. Спустя еще два года его же группа обнаружила белок бактериородопсин, который открывает каналы для отрицательных ионов хлора и, таким образом, наоборот снижает активность нейронов. Наконец, в том же 2007 оптогенетика приблизилась к своему сегодняшнему состоянию - все те же ученые научились конструировать генетически модифицированных мышей с каналородопсином и бактериородопсином в специфическом типе нейронов, активация или торможение которых управляло режимом "сон-бодрствание".

С тех пор оптогенетика стала практически рутинным методом нейробиологических экспериментов, снабдив ученых недоступным до этого инструментом, позволяющем убедительно показать причинно-следственную связь между активностью определенного типа нейронов в определенной части мозга и конкретного поведения - потребления пищи, агрессии, страха, памяти и многих других. Для этого точечной инъекцией вируса с генетической конструкцией (вроде того, что используется в вакцине Спутник) в определенную структуру мозга (амигдалу, гиппокамп, префронтальную кору) устанавливают светочувствительные каналы, а затем подводят к ней тоненький световод, который, используя разную длину волны, активирует и подавляет активность нейронов в мозге бодрствующей мыши. Параллельно, методом кальциевого имаджинга можно регистрировать активность отдельных нейронов (например в другой области мозга). Но это уже (не совсем) другая история.