ヘッド内のスイッチの反転 : シーク (rockefeller.edu)  ロックフェラー大学

ヘッド内のスイッチを反転する

新しい技術により、科学者はボタンを押すだけでマウスの脳細胞にワイヤレスコントロールを行うことができます。彼らが最初にしたことは、ネズミを空腹にすることでした。

By W. Wayt Gibbs 2017年4月1日

マインドコントロールは、それほど遠いアイデアではありません。ジェフリー・M・フリードマンの研究室では、被験者は人ではなくマウスですが、常に起こります。

フリードマンたちは、マウスの食欲とグルコース代謝に対する無線操作のリモートコントロールを実証しました。スイッチのフリックでは、マウスが正常に生活を送っている間に、マウスを空腹にしたり、食欲を抑えたりすることができます。これは、彼らが食べることの神経学的基礎を解明するために使用しているツールであり、他の有線行動の研究のためのアプリケーションを持っている可能性が高いです。

フリードマン、マリリン・M・シンプソン教授は、現在シナイ山のアイカーン医学部の助教授であり、レンセラー工科大学の共同研究者である彼の研究室の元ポスドクであるサラ・スタンリーと数年前からこの技術に取り組んできました。生きている動物の脳細胞を引き起こす既存の方法の限界を認識し、グループは新しい方法を発明することに着手しました。理想的なアプローチは、可能な限り非侵襲的で有害ではないだろうと彼らが推論した。そして、それは迅速かつ繰り返し動作する必要があります。

ニューロンに信号を送達する他の方法がありますが、それぞれに限界があります。例えば、深部脳刺激では、科学者は脳にワイヤーを通し、標的細胞の隣に電極を配置する。しかし、インプラントは、正常な行動を妨げる方法で近くの細胞や組織に損傷を与える可能性があります。光遺伝学は、同様に動作するが、光ファイバーと電気ではなく光のパルスを使用し、同じ問題を抱えています。第3の戦略(マウスに飼育された遺伝子組み換え細胞を活性化するために薬物を使用する)は侵襲性は低いが、薬物の効果は遅く、消耗する。

フリードマンのグループが打った解決策は、放射線遺伝学または磁気遺伝学と呼ばれ、これらの問題を回避します。昨年のNature掲載されたその方法では、生物学者は、細胞を電磁波や磁場に受容できるように細胞をエンジニアリングすることで、生きている動物の中でニューロンのオンとオフを素早く、繰り返し、インプラントなしでオンまたはオフにすることができます。

※これが「エンターキーを押すだけでワクチン接種者がハエのように落ちる」ってやつですな

「私たちは、目に見えない力が飢餓のように原始的な本能を制御できるように、他の目的のために細胞で既に使用されている分子を組み合わせました」とフリードマンは言います。

この方法は、分子スケールでルーブ・ゴールドバーグの罠のように、気まぐれに複雑に見える5つの非常に異なる生物学的ツールを結び付ける。クラゲから借りた緑色の蛍光タンパク質、ラクダ由来の独特の抗体、鉄粒子のスクイーズ袋、膜貫通タンパク質から作られたドアの細胞相当物に依存しています。このトラップのリモコンは、修正された溶接ツールです(ただし、店舗で購入した磁石も動作します)。

研究者の最初の課題は、入ってくる無線信号や磁場を検出するアンテナとして機能するニューロンの何かを見つけることでした。論理的な選択は、幅わずか12ナノメートルのバルーン状粒子の細胞に鉄を保存するタンパク質であるフェリチンでした。鉄は細胞に不可欠ですが、毒性もあり得るので、必要になるまでフェリチン粒子に隔離されます。各フェリチン粒子は、無線信号に応答して動き回る何千もの鉄粒を持ち、磁場に浸るとシフトして整列します。私たちは皆、脳細胞の中でこれらの粒子がシミーを持っていますが、動きは通常ニューロンに影響を与しません。

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 フリードマンとスタンリー、電波を送信するために使用する機器で。写真:ザカリー・ヴェイユー

フリードマンのチームは、遺伝子組み換えウイルスを使用してニューロンの外膜に出入り口を作り出すことができることに気付きました

その後、何とかフェリチン粒子に各ドアを取り付けることができれば、ドアを開けるのに十分なフェリチンを揺らすことができるかもしれないと推論しました。「私たちが選んだ『ドア』はTRPV1と呼ばれています」とスタンリーは言います。「TRPV1が活性化されると、カルシウムとナトリウムイオンは次に細胞に流れ込み、ニューロンを発射させる」ラクダやクラゲから借りたビットは、科学者がフェリチンにドアを接続するために必要なものを提供しました(脳のサイドバーを装着する方法を参照してください)。

チームは新しい制御メカニズムを機能したら、それをテストに入れました。過食と肥満の生物学的原因を解明することを目標とするフリードマンとスタンリーにとって、最初のアプリケーションは明らかでした:食欲に関与する特定のニューロンを特定してみてください。このグループは、脳内の血糖値を監視し、正常範囲内に保つと考えられている細胞であるグルコースセンシングニューロンを改変し、ワイヤレスコントロールの下に置いた。これを達成するために、TRPV1遺伝子とフェリチン遺伝子をウイルスに挿入し、さらに別の遺伝的トリックを使用してグルコースセンシングニューロンに注入しました。その後、彼らは細胞をいじって、摂食とインスリンやグルカゴンなどのホルモンの放出を調整する上で、血糖値を抑える調整に関与しているかどうかを確認することができます。

ウイルスが標的ニューロンに感染して変換するのに十分な時間を持つと、研究者たちはAMラジオに使用されるバンドより少し下の465 kHzに調整された無線送信機をオンにしました。

ニューロンは反応した。彼らは、動物の血糖値が正常であったにもかかわらず、ブドウ糖の不足を知らせ、発火し始めました。そして、体の他の部分は、彼らが血糖値の本当の低下にちょうど反応しました:インスリンレベルが低下し、肝臓がより多くのブドウ糖をポンピングし始め、動物はより多くを食べ始めました。「事実上、レベルが正常であったにもかかわらず、動物は血糖値が低いという知覚錯覚を作り出しました」とフリードマンは言います。

これらの結果に触発され、研究者たちは、電波のような磁気がフェリチンを引き起こし、細胞のドアを開けるかどうか疑問に思った。それは、チームがマウスケージをMRIマシンの近くに置いたり、動物の上に希土類磁石を振ったりすると、グルコースセンシングニューロンが引き起こされました。

食欲を刺激することは一つのことです。彼らはまた、それを抑制することができますか?グループは、ニューロンを阻害する作用をする塩化物を通過するようにTRPV1遺伝子を微調整した。今、彼らはニューロンに変更されたTRPV1を挿入したとき、塩化物のラッシュは、血液がブドウ糖で過負荷であるかのようにニューロンを動作させました。インスリン産生は動物で急増し、彼らはより少なく食べなかった。「これは、脳と膵臓がブドウ糖調節に関与していることを明確に示しているようです」とフリードマンは言います。

フリードマンとスタンレーは、生物学者がリモコンシステムを使用して食欲以外の様々な神経プロセスに取り組むことができることを望んでいます。そして、基本的な研究ツールであることを超えて、この方法は脳障害に対する新しい治療法につながる可能性があります。

例えば、パーキンソン病や本質的な振戦(患者の脳に埋め込まれたワイヤーを介して深い脳刺激によって治療される場合がある状態)を治療するためにそれを使用することを想像することができます。潜在的には、不自由なウイルスを脳の同じ場所に注入し、そこの細胞を永久に改変させ、ワイヤレスコントロールに反応させるのは侵襲性が低い可能性があります。

理論的には、患者自身の細胞を体内から取り除き、TRPV1とフェリチンを送達し、細胞を元に戻すことによって電磁波を受容させることも可能かもしれない、とフリードマンは言う。これは、現在幹細胞治療で使用されているものや、患者自身の細胞が設計され、体内に再移植されるいくつかの癌免疫療法と異なるプロトコルであろう。

しかし、この時点で、システムの臨床的有用性は投機の問題である。「私たちは、治療のために人間でそれを使用することから遠く離れている」とフリードマンは言います。「テストする前に多くのことを行う必要があります。


ラジオコントロールのために脳を装備する方法


科学者たちは、人間、ラクダ、クラゲの遺伝子を組み合わせることで、ラジオを介してニューロンを制御する巧妙な方法を考え出しました。彼らは、各ターゲットニューロンの外膜にドアを設置するために設計されたウイルスを使用し、強い無線信号に応答するフェリチン粒子を使用してドアを開きます。ドアが開くと、カルシウムイオンが細胞に注ぎ込まれ、ニューロンが発射されます。
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  1. 1.放射線遺伝学システムをニューロンに設置するために、科学者たちはシステムを機能させるために必要な様々な遺伝子をアデノウイルスに装備しました。その後、彼らは変更されたウイルスを変更したい脳細胞に噴出しました。

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    追加された遺伝子の1つは、通常、細胞が熱と動きを検出するのに役立つタンパク質であるTRPV1を産生する。各ニューロン内では、TRPV1タンパク質(ピンク)が細胞の外膜に埋め込まれます。ドアのように、それは、イオンチャネルを開いたり閉じたりするために形を変えることができます。ドアにノブを追加するために、研究者はTRPV1をラクダに見られる異常に単純な抗体である「ナノボディ」(バイオレット)に縫い付けました。

    3.鉄で満たされたフェリチン粒子(緑色)は、システムのセンサーとして機能します。彼らがナノノードアノブにつかむことを可能にするために、研究者たちはGFP(紫外線の下で緑色に輝くクラゲタンパク質)の遺伝子に取り組んだ。設計上、ナノボディとGFPはしっかりとくっつきます。これでシステムが接続されました強い電波や磁場にさらされると、フェリチン粒子が揺れ動き、イオンチャネルが開き、カルシウムイオン(赤)が流入して細胞を活性化します。
     




    ロックフェラー大学 » 神経細胞を制御するために磁力を使用して、研究は、脳がグルコース代謝に重要な役割を果たすことを発見 (rockefeller.edu)

    磁気マインドコントロール

    フリードマンとドーディック率いる以前の研究は、糖尿病マウスのインスリン産生をオンにする同様の方法をテストしました。このシステムは、天然鉄貯蔵粒子、フェリチン、蛍光タグを、カプサイシン唐辛子受容体とも呼ばれるTRPV1と呼ばれるイオンチャネルに組み合わせます。フェリチンは、電波や磁場などの力の影響を受ける可能性があり、TRPV1に連結されたその存在は、イオンチャネルの立体構造を変化させることができます

    「通常、電波や磁場は、これらの強さで、何の効果も持たずに組織を通過します」と、最初の著者サラ・スタンリー (現在はシナイ山のイカーン医学部で医学、内分泌学、糖尿病、骨疾患の助教授)は言います。「しかし、この改変フェリチンが存在すると、無線周波や磁場のエネルギーに反応して吸収し、運動を生み出します。この動きはチャネルを開き、細胞にイオンを入れることができる。チャネルを流れるイオンに応じて、これは細胞の活性を活性化または阻害する可能性があります。

    この研究は、電波と磁場でニューロンを遠隔でオン/オフする最初の研究です。TRPV1は通常、カルシウムやナトリウムなどの正イオンを流入させ、ニューロンを活性化し、ニューロン信号を伝達します。研究者はまた、逆の効果を達成することができました, 神経細胞の阻害, TRPV1チャネルを変異させることによって、 負の塩化物イオンが流れるだけできるように.....