Светлая голова: новый микроскоп позволит разглядеть работу нейронов
В России разработан прибор под рабочим названием «Змей Горыныч». Он позволяет визуализировать процессы, протекающие в мозге лабораторных животных. После введения мышам флуоресцентного раствора ученые помещают их в камеру, где с помощью лазера могут вызывать свечение, которое испускают те или иные нейроны и другие клетки мозга в процессе активности. Это необходимо для создания эффективных лекарств от нейродегенеративных заболеваний и разработки компьютеров, которые будут «думать», как живые существа.
Мысль на просвет
Ученые Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова (ИБХ) РАН собрали двухфотонный лазерный сканирующий микроскоп, позволяющий наблюдать живые ткани на глубине более 1 мм. Для этого используется явление флуоресценции — свечения объекта под влиянием внешнего излучения. Как сообщил «Известиям» завотделом нейробиологии мозга ИБХ РАН, член-корреспондент РАН Алексей Семьянов, прибор получил рабочее название «Змей Горыныч».
— В данном случае излучение испускают клетки мозга, в которых есть флуоресцентный белок. Такие белки могут поглощать свет определенной длины волны и испускать его на другой длине волны. Флуоресценция возбуждается под воздействием лазера. Этот процесс позволяет увидеть на экране компьютера нейроны и другие клетки мозга, в которых протекают самые разные физиологические процессы, — рассказал Алексей Семьянов.
«Змей Горыныч» будут использовать, чтобы протестировать новые препараты для лечения нейродегенеративных заболеваний, эпилепсии, депрессии и прочих когнитивных нарушений. Также он позволит изучить причины возникновения этих недугов и создать новые методы ранней диагностики.
Новое оборудование позволит российским ученым более детально проследить, как работает мозг, и на основании полученных данных создать нейроморфные компьютеры, которые будут «мыслить», как живые существа.
Мыши в камере
Прибор, необходимый для нейробиологических исследований, имеет специальную камеру, в которую может быть помещена лабораторная мышь. Предварительно ей в виде инъекции вводят особый препарат — флуоресцентный агент, который способен проникать через гематоэнцефалический барьер. Исследователь с помощью лазера возбуждает флуоресценцию и наблюдает, что происходит в мозге животного в течение длительного времени.
— Мы можем, например, поместить мышь в виртуальную реальность и демонстрировать ей различные паттерны, например полоски или кружочки. Прибор позволит зафиксировать и изучить, как в ответ формируется активность головного мозга в здоровом и больном мозге. Дальше можно изучать, как меняется эта активность при воздействии новых препаратов от болезней мозга, — отметил он.
Ученые анализируют полученные данные и создают математические модели, которые можно использовать для разработки нейроморфных компьютеров. Также исследователи систематизируют информацию о том, как у животных формируются нейродегенеративные болезни.
Как отмечают специалисты, новый микроскоп позволит упростить проведение доклинических исследований. А это может, в свою очередь, ускорить выход на рынок прорывных лекарств.
Апгрейт возможен
Для российского рынка такой микроскоп, во-первых, уникален по своим возможностям, а во-вторых, дешев по сравнению с западными аналогами, отметил глава центра НТИ ИБХ РАН Александр Исаев.
— Современная наука очень высокотехнологична, и для того чтобы преуспеть, необходимо иметь самые последние версии приборов в своей лаборатории. К сожалению, пока мы всё завозим из-за рубежа. Сейчас мы сделали первую попытку освоить базовый уровень производства научного оборудования, — сообщил Александр Исаев.
В дальнейшем, по его словам, новый прибор будет модифицирован, что создаст ему конкурентное преимущество не только на российском, но и на западном рынке. Ученым предстоит разработать такой микроскоп, который позволит исследовать самые разные клетки и ткани, а не только мозг. Это позволит научным организациям проводить широкий спектр исследований, не покупая разное оборудование, а просто меняя настройки. Также на базе ИБХ будет создана единая модульная платформа по производству оптических приборов. Проект предполагает, что в России в перспективе можно будет создавать микроскопы любой сложности.
Будущее нейробиологии
Проект открывает широкие возможности для изучения работы отдельных структур головного мозга в норме и при патологиях, уверен директор Института регенеративной медицины Сеченовского университета Петр Тимашев.
— Такой прибор послужит основой для создания и тестирования новых лекарственных препаратов в кратчайшие сроки. Актуальность данной работы неоспорима, поскольку головной мозг является самым неизученным органом человеческого организма, а большинство существующих методик основано на изучении мозга под влиянием анестезии, — сказал он.
Создание новых инструментальных подходов к изучению активности головного мозга в целом и отдельных нейронов в частности — одно из актуальных направлений научных исследований, уверен старший научный сотрудник лаборатории молекулярной биотехнологии и генной инженерии Высшей медико-биологической школы ЮУрГУ (вуза — участника проекта «5-100») Владимир Зурочка.
— Действительно, описываемый коллегами подход к изучению нейронных взаимосвязей при моделировании различных патологических состояний позволит не только исследовать патогенез их возникновения, но и даст широкие возможности для создания на основе полученных данных новых лекарственных препаратов, — подтвердил эксперт.
Проект по созданию прибора для биоимиджинга — один из приоритетных в ИБХ РАН. Он входит в программу работы созданного на базе института Центра компетенций Национальной технологической инициативы (Центра НТИ ИБХ РАН), который получил государственный грант на реализацию исследовательской деятельности в области управления свойствами биологических объектов.
