Движение по команде лазера

Красные ГАМК-нейроны, далеко «простирающие» свои отростки. Иллюстрация из журнала J.of  Neuroscience

Зрители, собравшиеся на стадионе «Коринтианс» в Сан-Пауло 12 июня 2014 года на церемонию открытия чемпионата мира по футболу, стали свидетелями маленького технологического чуда: юноша, утерявший способность двигать руками и ногами, встал со своей коляски и ударил ногой по мячу. Это стало возможно благодаря экзоскелету, управляемому мозговым интерфейсом, созданным нейроинженером Мигелем Николелисом из Университета Дьюка, что в Северной Каролине (США). Его коллеги из Массачусетского технологического института подошли к решению данной проблемы с оптогенетических позиций.

Растения и животные, включая людей, тянутся к свету. Тяга к свету по-гречески – фототаксис. Неудивительно, что природа света занимала пытливые умы, начиная с Платона и Аристотеля (первый из них писал, что мы видим с помощью света, исходящего из наших глаз). Член Королевского общества Исаак Ньютон рассказал в 1672 году на одном из заседаний, что ему удалось разложить свет на его составляющие с помощью призмы. Жаркие споры Ньютона и Лейбница о природе света вошли в историю науки.

Они тогда не знали, что за «уловление» света отвечают белки – в частности, родопсин сетчатки глаз. Светочувствительные протеины, улавливая фотон, «используют» его энергию для открытия ионного канала. Устремляющийся в нервную клетку ионный ток возбуждает ее и тем самым генерирует зрительный импульс. Однако подобные белки «родились» в океане у примитивных водорослей задолго до выхода жизни на землю. Не так давно были выделены гены этих протеинов, получивших за свою функцию название «каналородопсины».

Сотрудник Стэнфордского университета Дейсерот сумел ввести гены водорослевых родопсинов в нейроны мышей. В результате родилось такое популярное направление исследований, как оптогенетика. Методы оптогенетики позволяют управлять возбуждением нервных клеток с помощью лазерного света.

Еще в первой половине ХХ века было выдвинуто предположение, что моторные нейроны двигательной коры мозга на самом деле подавляют активность мотонейронов спинного мозга. Много позже в мозге были выделены тормозящие интернейроны, которые с помощью синтезируемой ими гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) подавляют нейроны возбуждения (ГАМК используется для терапевтической «охранительной» комы, в которой, например, полгода находился легендарный пилот формулы-1 Михаэль Шумахер).

В Массачусетском технологическом институте ген каналородопсина ввели в ГАМК-интернейроны, что дало возможность контролировать движение задних лапок мышей с помощью лазера. Неожиданностью для ученых явилось то, что они с помощью лазерной стимуляции тормозящих интернейронов нижнего уровня грудного отдела спинного мозга могли отключать движение одной или обеих лапок. Отключение лазера возвращало мышам подвижность, то есть процесс являлся обратимым. Таким образом, нервная регуляция движения даже на «примитивном» спинномозговом уровне оказывается не так проста, как полагали еще совсем недавно.

О перспективах лечения парализованных людей, которых становится все больше и больше в силу глобальной автомобилизации мира, с помощью оптогенетики говорить еще рано (одно из препятствий – всякого рода законодательные барьеры на пути геномного манипулирования клетками человека, воздвигнутые людьми, воспитывавшимися в совсем иную эпоху общей ментальности). Но информация о свойствах ГАМК-нейронов поможет конструировать более эффективные интерфейсы нового поколения, без которых трудно себе представить манипулирование движением одной лишь силой мысли.