Впервые в истории инженеры и нейробиологи Северо-Запада создали первое в своем роде сверхминиатюрное, беспроводное, без аккумуляторное и полностью имплантируемое устройство, которое использует свет для активации нейронов мышей для социального взаимодействия друг с другом в режиме реального времени.

Тонкий, гибкий имплантат с беспроводной связью позволяет мышам нормально выглядеть и не отпугивать своим видом сородичей, что позволяет исследователям наблюдать за ними в естественных условиях. Предыдущие исследования с использованием оптогенетики требовали волоконно-оптических проводов, которые ограничивали движения мышей, находя и заставляли их запутываться во время социальных взаимодействий или в сложных условиях.

«Благодаря предыдущим технологиям мы не могли наблюдать нескольких животных, социально взаимодействующих в сложной среде, потому что они были привязаны», - сказала нейробиолог Северо-Запада Евгения Козоровицкая, разработавшая эксперимент. «Волокна ломались, или животные запутывались. Чтобы задать более сложные вопросы о поведении животных в реалистичных условиях, нам нужна была эта инновационная беспроводная технология. Уйти от привязи - это потрясающе».

Роджерс и его команда разработали крошечное беспроводное устройство, которое аккуратно опирается на внешнюю поверхность черепа, но под кожей и мехом небольшого животного. Устройство толщиной полмиллиметра подключается к тонкому гибкому нитевидному зонду со светодиодами на кончике, которые проникают в мозг через крошечный дефект черепа.

В миниатюрном устройстве используются протоколы связи ближнего поля - та же технология, что и в смартфонах для электронных платежей (NFC). Исследователи управляют светом по беспроводной сети в реальном времени с помощью пользовательского интерфейса на компьютере. Антенна, окружающая вольер с животными, подает питание на беспроводное устройство, тем самым устраняя необходимость в громоздкой и тяжелой батарее.

Чтобы доказать принципиальность технологии Роджерса, Козоровицкий и его коллеги разработали эксперимент по изучению оптогенетического подхода к дистанционному управлению социальными взаимодействиями между парами или группами мышей.

Когда мыши физически находились рядом друг с другом в замкнутой среде, команда Козоровицкого по беспроводной связи синхронно активировала набор нейронов в области мозга, связанной с исполнительной функцией более высокого порядка, заставляя их увеличивать частоту и продолжительность социальных взаимодействий. Десинхронизация стимуляции быстро снизила социальное взаимодействие в одной и той же паре мышей. В групповых условиях исследователи могли склонять произвольно выбранную пару к взаимодействию больше, чем другие.

«На самом деле мы не думали, что это сработает», - сказал Козоровицкий. «Насколько нам известно, это первая прямая оценка основной давней гипотезы о нейросинхронности в социальном поведении».

Поскольку человеческий мозг представляет собой систему из почти 100 миллиардов связанных нейронов, чрезвычайно сложно исследовать отдельные или даже группы нейронов. Оптогенетика, представленная в моделях на животных примерно в 2005 году, предлагает контроль конкретных, генетически нацеленных нейронов, чтобы исследовать их с беспрецедентной детальностью для изучения их связи или высвобождения нейромедиаторов. Исследователи сначала модифицируют нейроны у живых мышей, чтобы они экспрессировали модифицированный ген светочувствительных водорослей. Затем они могут использовать внешний свет, чтобы контролировать и отслеживать активность мозга. Из-за задействованной генной инженерии этот метод еще не одобрен на людях.

«Это похоже на научную фантастику, но это невероятно полезный метод», - сказал Козоровицкий. «Когда-нибудь оптогенетика может быть использована для лечения слепоты или обратного паралича».