lisak
6 лет назадПри помощи голограммы теперь можно программировать активность мозга - дальше искусственные впечатления?
Оптогенетика, самый горячий инструмент контроля разума в нейробиологии, только что получил большое обновление.
Проецируя 3D-световых голограмм непосредственно на кору мозга мыши, инженеры из Калифорнийского университета в Беркли мгновенно получили контроль над десятками нейронов одновременно.
Это не самая впечатляющая часть.
Что невероятно, так это то, что эти нейроны принадлежали к разным сетям, разбросанным по 50 различным точка на участке коры размером с песчинку. Если классическая оптогенетика похожа на наводнение всего ночного неба яркими светлыми звездами и космическим фоном - эта новая версия нацелена только на несколько созвездий.
«Когда была изобретена оптогенетика, первым ее применением было использование флуоресцентного освещения. При этом вы можете либо активировать все нейроны одновременно, либо ни один из них », - сказал один из авторов исследования д-р Николас Пегард.
«Теперь совершенно ясно, что, если мы хотим сообщить информацию высокого уровня мозгу, мы должны иметь возможность нацеливать определенные подмножества нейронов по требованию, а не на остальные нейроны. Голография делает это возможным ». Команда опубликовала свои результаты в Nature Neuroscience.
Темная сторона Оптогенетики
Когда оптогенетика вышла на сцену нейронауки 13 лет назад, это сразу же изменило правила игры.
Вдохновение было вызвано водорослями, у которых, естественно, есть датчики белка, которые вызывают электрическую активность в ответ на различные длины волн света. Ученые вскоре обнаружили, что они могут генетически вставлять эти белки в нейроны млекопитающих. При освещении светом из имплантированных волоконно-оптических кабелей датчики активировали нейроны.
Оптогенетика стала инструментом картирования нейронных цепей: запускайте или подавляйте группы нейронов и наблюдайте за их поведением. Мышь может замереть от страха, бегать по кругу, становиться агрессивной, тем самым показывая функции этих манипулируемых нейронов.
Но инструмент не остался без критики
Большим недостатком был его тупой характер. Обычно нейроны редко участвуют в скоординированном танце. Но поскольку лазерный луч попадает в кусок мозговой ткани, он одновременно активирует все нейроны, снабженные датчиком свечения. Конечно, оптогенетика может провоцировать поведение, но понять, какие нейроны были необходимы для такого поведения—и какие просто попали в перекрестный огонь - было сложно, если не невозможно.
Ученые уже внедрили некоторые тонкие нововведения к традиционной оптогенетике. Одно из них - блокировать нейроны с двумя фотонами одновременно. Этот оптический трюк помогает фокусировать освещение только одной плоскости, но использует гораздо больше мощности лазера.
Идея голографической двухфотонной оптогенетики не нова. Еще в 2015 году международная команда во главе с доктором Майклом Хюссером из Лондонского колледжа Лондона (Великобритания) описала способ проецирования светового узора на множество разных ячеек одновременно с использованием пространственного модулятора света - причудливое название для инструмента, похожего на Проектор.
Но эта технология может быть нацелена только на несколько нейронов одновременно. И поскольку свет распространяется по прямой линии, сияние голограммы на нейронах может непреднамеренно освещать другие нейроны выше и ниже целевых.
“Голография-это хорошо, но не достаточно хорошо. То, что мы разработали, что называется 3D-SHOT, является передовым типом голографии, который позволяет нам фокусировать свет в очень маленьких точках, которые не больше одного нейрона, и это дает нам специфику таргетинга, которую мы хотим.”
Чтобы сгенерировать голограмму, команда использовала пространственный модулятор света для управления светом таким образом, чтобы концентриров
ать лазерные лучи в крошечные пятна. Это похоже на то, чтобы просить людей на переполненном стадионе, каждый из которых оснащен зеркалом, чтобы точно разместить эти зеркала таким образом, чтобы увеличить солнечный свет на крошечной травинке в поле - только в гораздо меньшем масштабе.
Суть была в том, чтобы соединить эту голографическую технологию с временной фокусировкой, которая позволяет свету фокусироваться на одной плоскости.
Но конечный результат стоил того, чтобы бороться: вместо того, чтобы освещать небольшие столбцы нейронов, 3D-SHOT может нацелиться на выбранные нейроны очень точно в пространстве.
Датчики на стероидах.
Чтобы соответствовать целевому уровню 3D-SHOT, команда также разработала новые светочувствительные белки, называемые opsins, для захвата и перевода этих световых лучей в электрическую активность.
После стимуляции цветным светом, opsins превращаются в открытый канал на мембране нейрона, заставляя ионы мчаться, а нейрон - срабатывать.
Предыдущие датчики были примерно в 50 раз медленнее, чтобы фиксировать резкие всплески нейронных сработок. Поскольку им требовалось много времени, чтобы реагировать на световую стимуляцию, эти датчики по существу «растягивали» нервную активность.
Новые опсины - это огромный шаг вперед. Например, ChroME, опсин, разработанный командой UC Berkeley, запускает электрические токи в три-пять раз сильнее, чем предыдущие опсины, и он так быстро реагирует на свет, что можно генерировать один всплеск на один световой импульс.
Это делает возможным синтезировать модели нейронной активности, которые напоминают то, что происходит в нормальном, активном мозге.
Команда объединила свои опсины с другим трюком: белком, который заставляет нейроны светиться, как люминесцентный факел, когда он активирован. Это позволяет им отслеживать нейронную активность в реальном времени под микроскопом.
Система оптического считывания и записи
В тестовом прогоне команда голографически стимулировала наборы сенсорных нейронов внутри коры мыши, пока она бежит по беговой дорожке. Голова мыши фиксируется с помощью зажимного устройства, чтобы предотвратить тряску головного мозга.
Голограмма вызвала волны активности внутри стимулированных участков. Нецелевые нейроны, даже оснащенные новыми опсинами, оставались невозбужденнными.
В качестве еще одного свидетельства точности технологии световая стимуляция не изменила поведение мыши - активность, в основном контролируемую моторными нейронами.
Но вызвало ли это какое-то искусственное ощущение? Если нервная активность лежит в основе всего, что мы испытываем, не должно ли искусственное щекотание мозга заставить мышей что-то чувствовать?
Может быть. Случайно стимулировать нейроны, возможно, еще не достаточно. Но если ученые смогут идентифицировать нейроны, которые работают вместе в ансамблях для кодирования чувства, они могут в будущем запрограммировать такие команды в мозгу мыши с использованием этой технологии.
Команда уже разработала протокол, который позволяет им «копировать и вставлять» шаблоны активности в мозг. Например, они могут записывать сетевую активность из определенных мест, превращать эти записи в голограммы и проецировать ее обратно в мозг в тех же местах. По существу, ученые могут в скором времени голографически воспроизвести фактические нейронные узоры обратно в мозг мыши, обмануть ее чувства, заставить ее увидеть или почувствовать что-то, что на самом деле не существует.
Восприятие уже не может быть основано на реальности. Даже несколько поддельных воспоминаний можно было бы однажды «записать» в мозг. По неволе тут вспомнишь сюжет фильма "Вспомнить все".
И если это работает на мышке, можем ли мы в конечном итоге сделать то же самое для людей? Могла ли миниатюризированная версия 3D-SHOT в один прекрасный день загружать ощущения или навыки в мозг, а-ля «Матрица»?
Не так быстро, говорят исследователи. В то время, как полностью оптический интерфейс машины, который находится на голове, может быть более желательным, чем электроды, которые требуют генетической вставки опсинов в клетки человеческого мозга - довольно инвазивный метод, мягко говоря.
Возможно, однажды мы сможем миниатюризировать эту технологию в портативный имплантат, что сделает его практичным для беспрепятственного соединения мозга с искусственными конечностями, руками или глазами. Но пока мы действительно находимся только в начале пути.
Теперь, впервые, у нас есть способ воспроизвести, а затем нарушить, очень специфические части реальной нервной деятельности в живом мозге и посмотреть, как на это реагирует тело. Постепенно ученые могут сопоставить эти модели активности с поведением, чувством или даже памятью, приблизив нас на шаг к взлому нейронного кода мозга.
