В исследовании, проведенном учеными из IBEC и IDIBAPS, впервые был достигнут контроль переходов состояний мозга с помощью молекулы, реагирующей на свет, под названием PAI. Результаты не только открывают путь для воздействия на активность мозговых паттернов и понимания их связи с познанием и поведением, но также могут привести к разработке фотомодулированных лекарств для лечения поражений или заболеваний головного мозга, таких как депрессия, биполярные расстройства и т. Д. Болезни Паркинсона или Альцгеймера.
Мозг представляет разные состояния в зависимости от связи между миллиардами нейронов, и эта сеть является основой всех наших восприятий, воспоминаний и поведения. Это часто считается "черный ящик," с трудным доступом для клиницистов и исследователей, поскольку доступно несколько ограниченных инструментов для проведения точных и пространственно-временных исследований поведения нейронов мозга. Теперь исследователи из Института биоинженерии Каталонии (IBEC) в сотрудничестве с Институтом биомедицинских исследований Августа Пи-и-Суньер (IDIBAPS) добавили немного света в эту тему: им впервые удалось контролировать нейронную активность в головном мозге с помощью молекула, реагирующая на свет.
В исследовании приняли участие участники из Автономного университета Барселоны (UAB), и оно проводилось в рамках проекта Европейского Союза по человеческому мозгу. В нем описан первый способ прямой фотомодуляции переходов состояний мозга in vivo.
Работа под руководством профессоров-исследователей ICREA Пау Горостиза (IBEC-CERCA, BIST, CIBER-BBN) и Мави Санчес-Вивес (IDIBAPS) недавно была опубликована в журнале Advanced Science. Результаты показывают, что эта новая молекула, названная PAI (от Phthalimide-Azo-Iper), может специфически и локально контролировать мускариновые холинергические рецепторы, то есть рецепторы ацетилхолина, нейромедиатор мозга, очень важный в нескольких процессах, таких как обучение вниманию или памяти.
Контроль переходов состояний мозга с помощью света
Переходы между состояниями мозга, такими как переход от сна к бодрствованию или пробуждение из комы, основаны на передаче химических и электрических сигналов между группами нейронов, участвующих в различных функциях. Современные методы модуляции нейрональной активности, такие как транскраниально-магнитная или ультразвуковая стимуляция, имеют ограничения в пространственно-временных и спектральных характеристиках. Еще один высокоточный метод, который также использует свет для управления нейронами в оптогенетике, но он зависит от генетических манипуляций, что затрудняет его передачу людям из соображений безопасности.
Здесь исследователи применили фотофармакологию для решения этих проблем. Для этого они использовали молекулу, ранее разработанную в IBEC, PAI, которая является светочувствительной и позволяет пространственно-временную модуляцию нейронов мозга, связывая и контролируя активность мускариновых холинергических рецепторов, ключевых рецепторов нейронального взаимодействия и коммуникации. Используя этот подход, переходы состояний мозга, зависящие от холинергической иннервации, можно контролировать с помощью света с помощью лекарств, химически разработанных так, чтобы быть светочувствительными.
"Контроль нейрональной активности в головном мозге является ключом к проведению как фундаментальных, так и прикладных исследований, а также к разработке безопасных и точных методов проведения терапевтических вмешательств в головной мозг в клинической неврологии," объясняет Фабио Рифоло (IBEC), соавтор исследования.
Изменения состояний мозга
Различные состояния мозга и переходы между ними связаны с функцией мозга. Они тесно связаны с изменениями в паттернах активации мозга, которые, в свою очередь, отражают активность и параметры конкретных нейронных сетей. Таким образом, манипулирование нейронами с помощью пространственно-временного контроля имеет фундаментальное значение для определения взаимосвязи между состояниями и поведением мозга и изучения влияния нейронных цепей на конкретное поведение. Кроме того, PAI фармакологически специфичен для подтипа мускариновых рецепторов M2, что открывает захватывающие перспективы для изучения фармакологии мозговых волн.
Применяя PAI к неповрежденному мозгу, а затем и белый свет, исследователи могли модулировать спонтанно возникающие медленные колебания в нейронных цепях и обратимо манипулировать частотой колебаний мозга. Этот новый химически разработанный инструмент позволил индуцировать и детально исследовать контролируемым и неинвазивным способом переходы мозга из состояния сна в состояние, подобное бодрствованию, с использованием прямого освещения.
В нашем мозгу нейронная активность управляется молекулами, известными как нейромодуляторы, например ацетилхолином (ACh), через их связывание с холинергическими рецепторами. Однако до конца не изучен вклад различных клеток, экспрессирующих рецепторы ACh, в глобальное поведение мозга. Использование селективных и фотопереключаемых холинергических препаратов в качестве PAI для достижения пространственно-временной точной модуляции активности мозга открывает путь для проведения точных фундаментальных исследований в области нейробиологии и разработки будущих методов лечения и стимуляции мозга.
"Фотоуправление эндогенными рецепторами и их функциями в центральной нервной системе, такими как переход между различными состояниями мозга, является достижением для технологий нейромодуляции," объясняет доктор. Альмудена Барберо-Кастильо (IDIBAPS), соавтор исследования.