Нейропептиды играют фундаментальную роль в модуляции клеточных и контурных функций в головном мозге. Одна из таких сигнальных молекул — орексин — регулирует возбуждение и бодрствование, и ее отказ может привести к постоянной дневной сонливости (нарколепсия). Исследователи из Цюрихского университета разработали флуоресцентный биосенсор орексина для наблюдения за этой молекулой «вживую» в мозгу живой мыши.
В головном мозге миллиарды нервных клеток действуют согласованно, координируя как основные, так и высшие функции организма. Для общения друг с другом они используют особый язык: молекулы, известные как нейропептиды или нейротрансмиттеры. Одним из примеров такой системы сигнальных молекул является орексин. Обычно он регулирует возбуждение, бодрствование, мотивацию и аппетит. Дефекты в высвобождении или восприятии нейропептидов орексина вызывают как у людей, так и у животных заболевание, называемое нарколепсией. Пораженные люди страдают от чрезмерной дневной сонливости и часто испытывают катаплексические состояния, в которых они остаются в сознании, но не могут контролировать движения тела, что приводит к своего рода параличу.
Пролить свет на внутреннюю работу мозга мыши
Томмазо Патриархи из Института фармакологии и токсикологии Цюрихского университета (UZH) и его команда разработали генетически кодируемый биосенсор, флуоресцентные свойства которого позволяют им изучать действие орексина и механизмы высвобождения «вживую» и с высоким разрешением в мозге. живых мышей. «Прямая связь между этой конкретной нейропептидной системой и ее резким изменением функций мозга человека при нарколепсии побудила нас более подробно изучить орексин», — говорит Патриархи.
Новый биосенсор орексина под названием «OxLight1» основан на специально разработанном зеленом флуоресцентном белке, интегрированном в рецептор орексина человека. «Пометка рецептора флуоресцентным белком делает его видимым под микроскопом. Когда нейропептид связывается с рецептором, он загорается», — добавляет Патриархи. Таким образом, OxLight1 предлагает практически в реальном времени представление о высвобождении орексина у живых животных, таких как мыши.
Освещение ранее невидимых аспектов здоровой работы мозга
«Чтобы понять, как нейропептидные системы, такие как орексин, действуют для поддержания здоровой функции мозга, нам нужно сначала наблюдать за сообщениями, которые несут эти нейропептиды, а затем научиться их интерпретировать», — говорит Патриархи. До сих пор это было практически невозможно из-за отсутствия инструментов, которые могли бы обеспечить считывание с высоким пространственным и временным разрешением. Поэтому исследователи использовали свой новый биосенсор для изучения взаимосвязи между активностью нейронов и высвобождением нейропептидов у живых животных, что является одним из самых насущных и долгожданных вопросов в нейрофизиологии, который до сих пор оставался неуловимым.
Они показали, что уровень высвобождения орексина коррелирует как с частотой, так и с продолжительностью активации нейронов. «Исключительная чувствительность и скорость OxLight1 позволили нам отслеживать высвобождение эндогенного орексина, связанное с естественным поведением, таким как спонтанный бег или острый стресс», — говорит Патриархи. В результате им удалось продемонстрировать на живом мозге, что орексиновые сигналы могут возникать в виде относительно короткоживущих или «фазовых» всплесков высвобождения.
Изучение механизмов нервного заболевания нарколепсии
Затем команда исследовала динамику орексинов при переходе от сна к бодрствованию. Объединив фотометрическую визуализацию динамики орексина и записи активности нейронов для оценки состояния сна животных, исследователи впервые обнаружили, что во время быстрого сна у мышей происходит быстрое падение уровня орексина. Дальнейшая работа с коллегами из Istituto Italiano di Tecnologia в Италии, специалистами по двухфотонной микроскопии, выявила еще один до сих пор неизвестный процесс: пространственно локализованные колебания орексина, происходящие в соматосенсорной коре при пробуждении от анестезии. Эта последняя совместная работа проводилась в рамках недавно награжденного европейского проекта DEEPER.
«После расшифровки высвобождения орексина и активности нейронов в здоровом мозге мы теперь используем OxLight1 для исследования механизмов заболеваний головного мозга, таких как нарколепсия и наркомания», — говорит Томмазо Патриархи. Это исследование является первым результатом проекта, для которого Томмазо Патриархи получил стартовый грант ERC в 2020 году. Биосенсоры, разработанные его командой, теперь используются для исследования функций мозга в лабораториях по всему миру. Продолжая расширять свой нейротехнологический набор инструментов, исследователи также стремятся создать скрининговые тесты нового поколения для разработки лекарств.
