Oamenii de știință au creat, în premieră, o modalitate neinvazivă de a controla de la distanță circuitele creierului (grupurile de neuroni din creier care îndeplinesc în mod colectiv o anumită sarcină) responsabile de mișcarea liberă a unor animale aflate într-un mediu de laborator. Noua tehnică, prin care sunt transmise radiații în infraroșu apropiat către creier, poate ajuta cercetătorii să analizeze modul în care organul funcționează în timpul comportamentului normal și poate conduce la dezvoltarea de noi tratamente pentru bolile cerebrale umane.
Descoperirile, detaliate în noul studiu publicat în cadrul revistei Nature Biomedical Engineering în data de 21 martie 2022, se bazează pe munca desfășurată pe parcursul a aproximativ 20 de ani în domeniul optogeneticii, o tehnică care utilizează explozii de lumină vizibilă cu scopul de a controla activitatea celulelor modificate genetic pentru a răspunde la iluminare. Oamenii de știință au folosit optogenetica pentru a analiza circuitele creierului șoarecilor și a altor animale de laborator și pentru a afla mai multe informații cu privire la modul în care acestea ar putea funcționa și în cazul oamenilor.
Cu toate acestea, tehnicile optogenetice existente sunt adesea limitate din cauza dependenței lor de lumina vizibilă. „Creierul este destul de opac pentru lumina vizibilă, așa că lansarea unor fascicule luminoase asupra neuronilor pe care cercetătorii doresc să-i vizeze necesită, de obicei, implanturi invazive și cabluri de fibră optică montate pe craniu, care, inevitabil, provoacă leziuni ale creierului sau modifică comportamentul animalului”, a declarat Xiang Wu, coautor al studiului, om de știință în materiale și inginer neuronal în cadrul Universității Stanford.
În cadrul unui nou studiu, cercetătorii au depășit această problemă prin utilizarea luminii în infraroșu apropiat (în special, lungimi de undă cuprinse între 1.000 și 1.700 de nanometri, cunoscute sub numele de infraroșu apropiat II), față de care țesuturile biologice, inclusiv creierul și craniul, sunt, în esență, transparente. Acest lucru face posibilă livrarea unei astfel de lumini mult mai adânc în creier.
Mai întâi, oamenii de știință au modificat genetic celulele pentru a produce o moleculă cunoscută sub numele de TRPV1. Această proteină sensibilă la căldură îi ajută pe oameni să simtă atât durerea legată de temperaturi ridicate, precum și arsurile provocate ardeiului iute. Descoperirea acesteia a condus la câștigarea Premiului Nobel pentru Medicină în anul 2021. O moleculă similară îi oferă șarpelui cu clopoței capacitatea de a vâna animale în condiții de lumină scăzută.
De asemenea, cercetătorii au dezvoltat o serie de nanoparticule care pot absorbi lumina în infraroșu apropiat II și o pot transforma în căldură, pe care molecula TRPV1 o poate detecta. Aceste particule cu lățimea de aproximativ 40 de nanometri, denumite MINDS (nanotraductoare macromoleculare în infraroșu pentru stimularea profundă a creierului), sunt fabricate din polimeri biodegradabili, care sunt utilizați și pentru producerea de celule solare organice și LED-uri.
În cadrul experimentelor pe șoareci, oamenii de știință au modificat genetic neuronii dintr-o zonă a cortexului motor, care controlează locomoția acestor rozătoare, și au injectat MINDS în aceeași regiune. În mod normal, șoarecii explorau la întâmplare incintele în care se aflau. Totuși, atunci când oamenii de știință au acționat cu o serie de raze în infraroșu apropiat II asupra lor, șoarecii au început să se plimbe în cercuri (fiind conduși de stimularea unilaterală a cortexului motor).
Cercetătorii au descoperit faptul că ar putea folosi noua lor tehnică și pe neuronii care răspund la recompense și care sunt localizați în apropierea bazei creierului șoarecilor. Acest lucru le-a făcut pe rozătoare dependente de lumina în infraroșu apropiat II, animalele petrecându-și aproape tot timpul în porțiuni de labirinturi iluminate de o astfel de radiație. Cercetătorii au demonstrat că metoda poate viza neuronii aflați în orice zonă a creierului, chiar și atunci când luminile în infraroșu apropiat II erau poziționate la o distanță de 1 metru față de capetele animalelor.
Acest nou mod de a controla în mod neinvaziv anumite circuite cerebrale îi poate ajuta pe oamenii de știință să înțeleagă fundamentele comportamentelor naturale ale șoarecilor pe care nu le pot investiga cu ajutorul optogeneticii din cauza cablurilor și a implanturilor cerebrale.
„În prezent, cercetătorii din cadrul laboratorului nostru lucrează la dezvoltarea de noi tehnici care pot sensibiliza neuronii la undele radio. Acest lucru necesită proiectarea unor materiale noi și destul de multe eforturi de inginerie”, a declarat Wu.
Oamenii de știință au adăugat faptul că noua lor tehnică necesită o intervenție chirurgicală invazivă pe creier pentru a furniza virusurile care modifică genele și nanoparticulele. Wu este de părere că, în viitor, metoda lor ar putea deveni mai puțin invazivă cu ajutorul ultrasunetelor, care pot ajuta la deschiderea barierei hemato-encefalică (membrana de protecție care împiedică majoritatea moleculelor mai mari să intre în creier) astfel încât virusurile și nanoparticulele să poată ajunge în creier prin intermediul unor simple injecții.
