Gentechnisch hergestelltes „Magneto-Protein“ steuert Gehirn und Verhalten aus der Fer
Gentechnisch hergestelltes „Magneto-Protein“ steuert Gehirn und Verhalten aus der Ferne
Als nächstes fügten die Forscher die Magneto-DNA-Sequenz in das Genom eines Virus ein, zusammen mit dem Gen, das für das grün fluoreszierende Protein kodiert, und regulatorischen DNA-Sequenzen, die bewirken, dass das Konstrukt nur in bestimmten Arten von Neuronen exprimiert wird. Dann injizierten sie das Virus in die Gehirne von Mäusen, wobei sie auf den entorhinalen Kortex abzielten, und sezierten die Gehirne der Tiere, um die Zellen zu identifizieren, die grüne Fluoreszenz ausstrahlten. Mit Hilfe von Mikroelektroden zeigten sie dann, dass das Anlegen eines Magnetfeldes an die Hirnschnitte Magneto aktiviert, so dass die Zellen Nervenimpulse erzeugen.
-----
Forscher in den USA haben eine neue Methode entwickelt, um die Gehirnschaltkreise zu kontrollieren, die mit komplexen Verhaltensweisen bei Tieren verbunden sind. Sie nutzen die Gentechnik, um ein magnetisiertes Protein zu erzeugen, das bestimmte Gruppen von Nervenzellen aus der Ferne aktiviert.
Zu verstehen, wie das Gehirn Verhalten erzeugt, ist eines der ultimativen Ziele der Neurowissenschaften – und eine ihrer schwierigsten Fragen. In den letzten Jahren haben Forscher eine Reihe von Methoden entwickelt, die es ihnen ermöglichen, bestimmte Gruppen von Neuronen aus der Ferne zu steuern und die Funktionsweise neuronaler Schaltkreise zu untersuchen.
Die leistungsfähigste dieser Methoden ist die Optogenetik, die es den Forschern ermöglicht, Populationen verwandter Neuronen auf einer Zeitskala von Millisekunden mit Laserlichtimpulsen ein- oder auszuschalten. Eine andere, kürzlich entwickelte Methode, die Chemogenetik, verwendet künstlich hergestellte Proteine, die durch Designer-Medikamente aktiviert werden und gezielt auf bestimmte Zelltypen ausgerichtet werden können.
Obwohl beide Methoden leistungsstark sind, haben sie auch Nachteile. Die Optogenetik ist invasiv, da sie das Einsetzen von Lichtleitfasern erfordert, die die Lichtimpulse in das Gehirn leiten, und außerdem ist das Ausmaß, in dem das Licht in das dichte Hirngewebe eindringt, stark begrenzt. Chemogenetische Ansätze überwinden diese beiden Einschränkungen, induzieren aber typischerweise biochemische Reaktionen, die mehrere Sekunden benötigen, um Nervenzellen zu aktivieren.
Die neue Technik, die im Labor von Ali Güler an der University of Virginia in Charlottesville entwickelt und in einer Online-Vorabveröffentlichung in der Zeitschrift Nature Neuroscience beschrieben wurde, ist nicht nur nicht-invasiv, sondern kann Nervenzellen auch schnell und reversibel aktivieren.
http://hvtraenkle.com/
Mehrere frühere Studien haben gezeigt, dass Nervenzellproteine, die durch Hitze und mechanischen Druck aktiviert werden, gentechnisch so verändert werden können, dass sie für Radiowellen und Magnetfelder empfindlich werden, indem sie an ein eisenspeicherndes Protein namens Ferritin oder an anorganische paramagnetische Partikel gebunden werden. Diese Methoden stellen einen wichtigen Fortschritt dar – sie wurden zum Beispiel bereits zur Regulierung des Blutzuckerspiegels bei Mäusen eingesetzt -, erfordern aber mehrere Komponenten, die separat eingeführt werden müssen.
Die neue Technik baut auf diesen früheren Arbeiten auf und basiert auf einem Protein namens TRPV4, das sowohl auf Temperatur als auch auf Dehnungskräfte empfindlich ist. Diese Reize öffnen seine zentrale Pore, so dass elektrischer Strom durch die Zellmembran fließen kann; dies löst Nervenimpulse aus, die ins Rückenmark und dann zum Gehirn wandern.
Güler und seine Kollegen schlussfolgerten, dass magnetische Drehmoment- (oder Rotations-) Kräfte TRPV4 aktivieren könnten, indem sie seine zentrale Pore aufreißen, und so benutzten sie Gentechnik, um das Protein an die paramagnetische Region von Ferritin zu fusionieren, zusammen mit kurzen DNA-Sequenzen, die den Zellen signalisieren, die Proteine zur Nervenzellmembran zu transportieren und in sie einzubauen (siehe Video auf Youtube).
Als sie dieses genetische Konstrukt in menschliche embryonale Nierenzellen einbrachten, die in Petrischalen wachsen, synthetisierten die Zellen das ‚Magneto‘-Protein und bauten es in ihre Membran ein. Das Anlegen eines Magnetfeldes aktivierte das manipulierte TRPV1-Protein, was sich durch einen vorübergehenden Anstieg der Kalzium-Ionen-Konzentration in den Zellen zeigte, der mit einem Fluoreszenzmikroskop nachgewiesen wurde.
Als nächstes fügten die Forscher die Magneto-DNA-Sequenz in das Genom eines Virus ein, zusammen mit dem Gen, das für das grün fluoreszierende Protein kodiert, und regulatorischen DNA-Sequenzen, die bewirken, dass das Konstrukt nur in bestimmten Arten von Neuronen exprimiert wird. Dann injizierten sie das Virus in die Gehirne von Mäusen, wobei sie auf den entorhinalen Kortex abzielten, und sezierten die Gehirne der Tiere, um die Zellen zu identifizieren, die grüne Fluoreszenz ausstrahlten. Mit Hilfe von Mikroelektroden zeigten sie dann, dass das Anlegen eines Magnetfeldes an die Hirnschnitte Magneto aktiviert, so dass die Zellen Nervenimpulse erzeugen.
Um festzustellen, ob Magneto zur Manipulation der neuronalen Aktivität in lebenden Tieren verwendet werden kann, injizierten sie Magneto in Zebrafischlarven und zielten dabei auf Neuronen im Rumpf und Schwanz, die normalerweise eine Fluchtreaktion kontrollieren. Dann setzten sie die Zebrafisch-Larven in ein speziell gebautes, magnetisiertes Aquarium und fanden heraus, dass die Exposition gegenüber einem Magnetfeld ähnliche Einrollmanöver auslöste, wie sie während der Fluchtreaktion auftreten. (An diesem Experiment waren insgesamt neun Zebrafisch-Larven beteiligt, und spätere Analysen ergaben, dass jede Larve etwa 5 Neuronen enthielt, die Magneto exprimierten).
In einem letzten Experiment injizierten die Forscher Magneto in das Striatum von frei verhaltenden Mäusen. Dabei handelt es sich um eine tiefe Hirnstruktur, die Dopamin produzierende Neuronen enthält, die an Belohnung und Motivation beteiligt sind. Anschließend setzten sie die Tiere in eine Apparatur, die in magnetisierte und nicht-magnetisierte Abschnitte unterteilt war. Mäuse, die Magneto exprimierten, verbrachten viel mehr Zeit in den magnetisierten Bereichen als Mäuse, die es nicht taten. Das lag daran, dass die Aktivierung des Proteins die striatalen Neuronen, die es exprimieren, dazu veranlasste, Dopamin freizusetzen, so dass die Mäuse den Aufenthalt in diesen Bereichen als belohnend empfanden. Dies zeigt, dass Magneto das Feuern von Neuronen tief im Gehirn fernsteuern und auch komplexe Verhaltensweisen kontrollieren kann.
Der Neurowissenschaftler Steve Ramirez von der Harvard University, der Optogenetik einsetzt, um Erinnerungen im Gehirn von Mäusen zu manipulieren, sagt, die Studie sei „knallhart“.
„Frühere Versuche [mit Magneten zur Kontrolle neuronaler Aktivität] benötigten mehrere Komponenten, damit das System funktioniert. Dazu gehörten die Injektion von magnetischen Partikeln, die Injektion eines Virus, der einen hitzeempfindlichen Kanal exprimiert, oder die Fixierung des Kopfes des Tieres, damit eine Spule Änderungen im Magnetismus induzieren konnte“, erklärt er. „Das Problem mit einem Mehrkomponentensystem ist, dass es so viel Möglichkeit gibt, dass jedes einzelne Teil kaputt geht.“
„Dieses System ist ein einziges, elegantes Virus, das überall im Gehirn injiziert werden kann. Das macht es technisch einfacher und unwahrscheinlicher, dass beweglicher Schnickschnack kaputt geht“, fügt er hinzu, „und ihre Verhaltensausrüstung wurde geschickt so gestaltet, dass sie Magnete an den entsprechenden Stellen enthält, so dass sich die Tiere frei bewegen können.“
Magnetogenetik‘ ist daher eine wichtige Ergänzung des Werkzeugkastens der Neurowissenschaftler, die zweifellos weiterentwickelt werden und den Forschern neue Möglichkeiten zur Untersuchung der Gehirnentwicklung und -funktion bieten wird.
Referenz
Wheeler, M. A., et al. (2016). Genetisch gezielte magnetische Steuerung des Nervensystems. Nat. Neurosci, DOI: 10.1038/nn.4265 [Abstract]
🇬🇧 Genetically engineered "magneto-protein" controls the brain and behavior remotely
Next, the researchers inserted the magneto-DNA sequence into the genome of a virus, along with the gene that codes for the green fluorescent protein and regulatory DNA sequences that cause the construct to only express in certain types of neurons becomes. They then injected the virus into the brains of mice, targeting the entorhinal cortex, and dissected the animals' brains to identify the cells that were emitting green fluorescence. With the help of microelectrodes, they then showed that applying a magnetic field to the brain slices activates Magneto so that the cells generate nerve impulses.
-----
Researchers in the United States have developed a new way to control the brain circuits associated with complex animal behaviors. They use genetic engineering to create a magnetized protein that activates certain groups of nerve cells remotely.
Understanding how the brain creates behavior is one of the ultimate goals of neuroscience - and one of its toughest questions. In recent years, researchers have developed a number of methods that allow them to remotely control certain groups of neurons and study how neural circuits work.
The most powerful of these methods is optogenetics, which allows researchers to turn populations of related neurons on or off on a millisecond timescale using pulses of laser light. Another recently developed method, chemogenetics, uses man-made proteins that are activated by designer drugs and can be targeted to specific cell types.
While both methods are powerful, they also have disadvantages. Optogenetics is invasive in that it requires the insertion of optical fibers to direct the light pulses into the brain, and in addition, the extent to which the light can penetrate the dense brain tissue is severely limited. Chemogenic approaches overcome both of these limitations, but typically induce biochemical reactions that take several seconds to activate nerve cells.
The new technique, which was developed in Ali Guler’s laboratory at the University of Virginia in Charlottesville and described in a pre-publication online in the journal Nature Neuroscience, is not only non-invasive, but can also activate nerve cells quickly and reversibly
http://hvtraenkle.com/
Several previous studies have shown that nerve cell proteins activated by heat and mechanical pressure can be genetically engineered to become sensitive to radio waves and magnetic fields by attaching them to an iron-storing protein called ferritin or to inorganic paramagnetic particles. These methods represent an important advance - they have already been used to regulate blood sugar levels in mice, for example - but require several components that must be introduced separately.
The new technique builds on this earlier work and is based on a protein called TRPV4, which is sensitive to both temperature and stretching forces. These stimuli open its central pore so that electrical current can flow through the cell membrane; this triggers nerve impulses that travel to the spinal cord and then to the brain.
Guler and colleagues concluded that torque (or rotational) magnetic forces could activate TRPV4 by ripping open its central pore, and so they used genetic engineering to fuse the protein to the paramagnetic region of ferritin, along with short DNA Sequences that signal the cells to transport the proteins to the nerve cell membrane and to incorporate them into it (see video on Youtube).
When they introduced this genetic construct into human embryonic kidney cells growing in Petri dishes, the cells synthesized the 'magneto' protein and built it into their membrane. The application of a magnetic field activated the manipulated TRPV1 protein, which was demonstrated by a temporary increase in the calcium ion concentration in the cells, which was detected with a fluorescence microscope.
Next, the researchers inserted the magneto-DNA sequence into the genome of a virus, along with the gene that codes for the green fluorescent protein and regulatory DNA sequences that cause the construct to only express in certain types of neurons becomes. They then injected the virus into the brains of mice, targeting the entorhinal cortex, and dissected the animals' brains to identify the cells that were emitting green fluorescence. With the help of microelectrodes, they then showed that applying a magnetic field to the brain slices activates Magneto so that the cells generate nerve impulses.
To see if Magneto could be used to manipulate neural activity in living animals, they injected Magneto into zebrafish larvae, targeting neurons in the trunk and tail that normally control an escape response. They then placed the zebrafish larvae in a specially built, magnetized aquarium and found that exposure to a magnetic field triggered rolling-in maneuvers similar to those that occur during the escape response. (A total of nine zebrafish larvae were involved in this experiment, and later analysis showed that each larva contained approximately 5 neurons that expressed Magneto).
In a final experiment, the researchers injected Magneto into the striatum of freely behaving mice. This is a deep brain structure that contains dopamine-producing neurons that are involved in reward and motivation. They then placed the animals in an apparatus that was divided into magnetized and non-magnetized sections. Mice that expressed Magneto spent much more time in the magnetized areas than mice that did not. This was because activation of the protein caused the striatal neurons that were expressing it to release dopamine, so the mice found spending time in those areas rewarding. This shows that Magneto can remotely control the firing of neurons deep in the brain and also control complex behaviors.
Harvard University neuroscientist Steve Ramirez, who uses optogenetics to manipulate memories in the brains of mice, says the study was "tough."
“Previous attempts [using magnets to control neural activity] required several components to make the system work. These included injecting magnetic particles, injecting a virus that expresses a heat-sensitive channel, or pinning the animal's head so that a coil could induce changes in magnetism, ”he explains. "The problem with a multicomponent system is that there is so much chance that every single part will break."
“This system is a single, elegant virus that can be injected anywhere in the brain. That makes it technically easier and less likely that moving bells and whistles will break, "he adds," and their behavioral gear has been cleverly designed to include magnets in the appropriate places so the animals can move around freely. "
Magnetogenetics is therefore an important addition to the toolbox of neuroscientists, and it will no doubt evolve to provide researchers with new ways to study brain development and function.
reference
Wheeler, M.A., et al. (2016). Genetically targeted magnetic control of the nervous system. Nat. Neurosci, DOI: 10.1038 / nn.4265 [Abstract]
🇹🇷 Genetiği değiştirilmiş "manyeto-protein" beyni ve davranışı uzaktan kontrol eder
Daha sonra araştırmacılar, manyeto-DNA dizisini, yeşil floresan proteini kodlayan gen ve yapının yalnızca belirli nöron türlerinde ifade etmesine neden olan düzenleyici DNA dizileriyle birlikte bir virüsün genomuna yerleştirdiler. Daha sonra virüsü farelerin beyinlerine enjekte ederek entorinal korteksi hedef aldılar ve yeşil floresan yayan hücreleri belirlemek için hayvanların beyinlerini incelediler. Mikroelektrotların yardımıyla, beyin dilimlerine bir manyetik alan uygulamanın Magneto'yu aktive ettiğini ve böylece hücrelerin sinir uyarıları oluşturduğunu gösterdiler.
-----
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki araştırmacılar, karmaşık hayvan davranışlarıyla ilişkili beyin devrelerini kontrol etmenin yeni bir yolunu geliştirdiler. Belirli sinir hücre gruplarını uzaktan aktive eden manyetize bir protein oluşturmak için genetik mühendisliğini kullanırlar.
Beynin davranışı nasıl yarattığını anlamak, sinirbilimin nihai hedeflerinden biridir - ve en zor sorularından biridir. Son yıllarda araştırmacılar, belirli nöron gruplarını uzaktan kontrol etmelerine ve sinir devrelerinin nasıl çalıştığını incelemelerine olanak tanıyan bir dizi yöntem geliştirdiler.
Bu yöntemlerin en güçlüsü, araştırmacıların lazer ışığı darbeleri kullanarak milisaniyelik bir zaman ölçeğinde ilgili nöron popülasyonlarını açıp kapatmalarına olanak tanıyan optogenetiktir. Yakın zamanda geliştirilen bir başka yöntem olan kemogenetik, tasarımcı ilaçlar tarafından aktive edilen ve belirli hücre tiplerini hedef alabilen insan yapımı proteinleri kullanır.
Her iki yöntem de güçlü olsa da dezavantajları da vardır. Optogenetik, ışık darbelerini beyne yönlendirmek için optik fiberlerin yerleştirilmesini gerektirdiğinden istilacıdır ve ayrıca ışığın yoğun beyin dokusuna nüfuz etme derecesi ciddi şekilde sınırlıdır. Kemojenik yaklaşımlar bu iki sınırlamanın üstesinden gelir, ancak tipik olarak sinir hücrelerini aktive etmesi birkaç saniye süren biyokimyasal reaksiyonları indükler.
Ali Güler'in Charlottesville'deki Virginia Üniversitesi'ndeki laboratuvarında geliştirilen ve Nature Neuroscience dergisinde çevrimiçi bir ön yayında açıklanan yeni teknik, sadece invaziv değil, aynı zamanda sinir hücrelerini hızlı ve geri dönüşümlü olarak aktive edebilir.
http://hvtraenkle.com/
Daha önce yapılan birkaç çalışma, ısı ve mekanik basınçla aktive edilen sinir hücresi proteinlerinin, onları ferritin adı verilen demir depolayan bir proteine veya inorganik paramanyetik parçacıklara bağlayarak radyo dalgalarına ve manyetik alanlara duyarlı hale gelmek üzere genetik olarak tasarlanabileceğini göstermiştir. Bu yöntemler önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor - örneğin farelerde kan şekeri seviyelerini düzenlemek için zaten kullanılıyorlardı - ancak ayrı olarak tanıtılması gereken birkaç bileşen gerektiriyor.
Yeni teknik, bu daha önceki çalışma üzerine kuruludur ve hem sıcaklığa hem de gerdirme kuvvetlerine duyarlı olan TRPV4 adlı bir proteine dayanmaktadır. Bu uyaranlar, elektrik akımının hücre zarından akabilmesi için merkezi gözeneklerini açar; bu, omuriliğe ve ardından beyne giden sinir uyarılarını tetikler.
Güler ve meslektaşları, tork (veya rotasyonel) manyetik kuvvetlerin, merkezi gözeneklerini yırtarak TRPV4'ü aktive edebileceği sonucuna vardılar ve bu nedenle, proteini ferritinin paramanyetik bölgesine ve hücrelerin taşınması için sinyal veren kısa DNA Dizilerine kaynaştırmak için genetik mühendisliğini kullandılar. proteinleri sinir hücresi zarına ve içine dahil etmek için (Youtube'daki videoya bakın).
Petri kaplarında büyüyen insan embriyonik böbrek hücrelerine bu genetik yapıyı soktuklarında, hücreler 'manyeto' proteinini sentezlediler ve zarlarına yerleştirdiler. Bir manyetik alanın uygulanması, hücrelerdeki kalsiyum iyonu konsantrasyonunda geçici bir artışla gösterilen manipüle edilmiş TRPV1 proteinini aktive etti ve bu, bir floresan mikroskobu ile tespit edildi.
Daha sonra, araştırmacılar manyeto-DNA dizisini, yeşil floresan proteini kodlayan gen ve yapının yalnızca belirli nöron türlerinde ifade etmesine neden olan düzenleyici DNA dizileriyle birlikte bir virüsün genomuna yerleştirdiler. Daha sonra virüsü farelerin beyinlerine enjekte ederek entorinal korteksi hedef aldılar ve yeşil floresan yayan hücreleri belirlemek için hayvanların beyinlerini incelediler. Mikroelektrotların yardımıyla, beyin dilimlerine bir manyetik alan uygulamanın Magneto'yu aktive ettiğini ve böylece hücrelerin sinir uyarıları oluşturduğunu gösterdiler.
Magneto'nun canlı hayvanlarda sinirsel aktiviteyi manipüle etmek için kullanılıp kullanılamayacağını görmek için, normalde bir kaçış tepkisini kontrol eden gövde ve kuyruktaki nöronları hedef alarak Magneto'yu zebra balığı larvalarına enjekte ettiler. Daha sonra zebra balığı larvalarını özel olarak yapılmış, manyetize edilmiş bir akvaryuma yerleştirdiler ve manyetik alana maruz kalmanın kaçış tepkisi sırasında meydana gelenlere benzer yuvarlanma manevralarını tetiklediğini buldular. (Bu deneyde toplam dokuz zebra balığı larvası yer aldı ve daha sonraki analizler, her bir larvanın Magneto ifade eden yaklaşık 5 nöron içerdiğini gösterdi).
Son bir deneyde, araştırmacılar, Magneto'yu özgürce hareket eden farelerin striatumuna enjekte ettiler. Bu, ödül ve motivasyonla ilgili dopamin üreten nöronları içeren derin bir beyin yapısıdır. Daha sonra hayvanları manyetize ve manyetize olmayan bölümlere ayrılmış bir aparata yerleştirdiler. Magneto'yu ifade eden fareler, manyetize olmayan farelere göre manyetize alanlarda çok daha fazla zaman geçirdi. Bunun nedeni, proteinin aktivasyonunun, onu eksprese eden striatal nöronların dopamin salmasına neden olmasıydı, bu yüzden fareler bu alanlarda vakit geçirmeyi ödüllendirici buldular. Bu, Magneto'nun beynin derinliklerindeki nöronların ateşlenmesini uzaktan kontrol edebildiğini ve ayrıca karmaşık davranışları kontrol edebildiğini gösteriyor.
Farelerin beynindeki anıları manipüle etmek için optogenetik kullanan Harvard Üniversitesi nörobilimci Steve Ramirez, çalışmanın "zor" olduğunu söylüyor.
"Önceki girişimler [sinirsel aktiviteyi kontrol etmek için mıknatısları kullanmak], sistemin çalışması için birkaç bileşen gerektiriyordu. Bunlar arasında manyetik parçacıkların enjekte edilmesi, ısıya duyarlı bir kanalı ifade eden bir virüsün enjekte edilmesi veya bir bobinin manyetizmada değişikliklere neden olabilmesi için hayvanın kafasının iğnelenmesi yer alıyordu” diye açıklıyor. "Çok bileşenli bir sistemle ilgili sorun, her bir parçanın kırılma olasılığının çok yüksek olmasıdır."
"Bu sistem, beynin herhangi bir yerine enjekte edilebilen tek, zarif bir virüstür. Bu, teknik olarak daha kolay ve hareketli zillerin ve ıslıkların kırılma olasılığını azaltıyor "diye ekliyor ve davranışsal donanımları, hayvanların serbestçe hareket edebilmeleri için mıknatısları uygun yerlere yerleştirmek için akıllıca tasarlandı. "
Manyetogenetik bu nedenle sinirbilimcilerin alet çantasına önemli bir katkıdır ve şüphesiz gelişmeye devam edecek ve araştırmacılara beyin gelişimi ve işlevini incelemek için yeni fırsatlar sunacaktır.
referans
Wheeler, M.A., et al. (2016). Sinir sisteminin genetik olarak hedeflenen manyetik kontrolü. Nat. Neurosci, DOI: 10.1038 / nn.4265 [Özet]
Kommentare
Kommentar veröffentlichen