Устройство значительно расширяет объем исследований, которые могут быть выполнены с помощью оптогенетики, и включает эксперименты с участием мышей в замкнутых пространствах или при свободном взаимодействии с другими животными. Работа опубликована в журнале Nature Methods от 17 августа.«Это новый способ предоставления беспроводной мощности для оптогенетики», — сказала Ада Пун, доцент кафедры электротехники в Стэнфорде. «Он намного меньше, и мышь может перемещаться во время эксперимента».Устройство можно собрать и перенастроить для различных целей в лаборатории, а планы источника питания общедоступны. «Я думаю, что другие лаборатории смогут адаптировать это для своей работы», — сказал Пун.
УменьшениеТрадиционно для оптогенетики требовался волоконно-оптический кабель, прикрепленный к голове мыши, для доставки света и контроля нервов.
С этим несколько ограниченным головным убором мыши могут свободно перемещаться в открытой клетке, но не могут перемещаться по замкнутому пространству или закапываться в кучу спящих товарищей по клетке, как это могла бы сделать свободная мышь. Кроме того, перед экспериментом ученый должен манипулировать мышью, чтобы присоединить кабель, нагружая мышь и, возможно, изменяя результат эксперимента.Эти ограничения ограничивают то, что можно узнать с помощью оптогенетики.
Люди успешно исследовали ряд научных вопросов, включая способы облегчения тремора при болезни Паркинсона, функцию нейронов, передающих боль, и возможные методы лечения инсульта. Однако решение проблем с социальным компонентом, таких как депрессия или тревога, или связанных с лабиринтами и другими типами сложных движений, становится более сложной задачей, когда мышь привязана.
Пун сделала себе имя, создавая миниатюрные имплантируемые устройства с беспроводным питанием. Хотя эта способность была крайне необходима в мире оптогенетики, Пун не знала об этом до тех пор, пока не посетила семинар по нейроинженерии, в котором приняли участие преподаватели нейробиологии и инженерии.На этом мероприятии Пун встретил Логана Гросеника, аспиранта лаборатории Карла Дайссерота, профессора биоинженерии, психиатрии и поведенческих наук в Стэнфорде, изобретателя оптогенетики.
Но у Гросеника не было времени вести совместную работу.В ходе последующих бесед Пун в конце концов встретил аспирантку Кейт Монтгомери, которая работала в лаборатории Скотта Делпа, профессора биоинженерии и машиностроения, и сотрудничала с Дейссеротом.«С тех пор наши лаборатории установили прочные научные отношения», — сказал Монтгомери, имеющий междисциплинарную стипендию через Stanford Bio-X.
Она и аспирант Александр Йе, который работал в лаборатории Пуна, были соавторами исследовательской работы.Прежде чем новая волна дизайна шляп из фольги захватит Интернет, важно прояснить один момент: оптогенетика работает только с нервами, которые были тщательно подготовлены, чтобы содержать белки, реагирующие на свет.
В лаборатории ученые либо разводят мышей, чтобы они содержали эти белки в избранных группах нервов, либо осторожно и кропотливо вводят вирусы, несущие ДНК белка, в нервы размером с зубную нить. Освещение неподготовленных нейронов через оптоволоконный кабель или беспроводное устройство не имеет никакого эффекта.ВключениеПун сказал, что разработка крошечного устройства для доставки света была легкой задачей.
Она и ее коллеги разработали это, и через несколько месяцев после семинара он заработал. Что было трудным, так это выяснить, как управлять им на большой площади без ущерба для энергоэффективности.
В поведенческих экспериментах мышь будет перемещаться повсюду, и исследователям нужен был способ отслеживания этого движения, чтобы обеспечить локализованную мощность. Пун знал, что другие лаборатории решают ту же проблему, используя громоздкие устройства, прикрепляемые к черепу, и сложные наборы катушек в сочетании с датчиками для определения местоположения мыши и подачи локального питания.
«Мы были ленивы», — сказал Пун. «Это звучало как большая работа».Поэтому вместо этого ей пришла в голову, как она выразилась, безумная идея использовать собственное тело мыши для передачи радиочастотной энергии, которая была как раз подходящей длиной волны, чтобы резонировать в мыши.
Может быть, безумно, но это сработало, и она опубликовала результаты 4 августа в Physical Review Applied вместе с соавторами Джоном Хо, аспирантом, который сейчас является доцентом в Национальном университете Сингапура, и Юджи Танабе, научным сотрудником. в ее лаборатории.У Пуна была идея, но изначально он не знал, как построить камеру для усиления и хранения радиочастотной энергии.
Они с Танабе посоветовались с отцом Танабе, который работал в Стэнфордском исследовательском центре SLAC и кое-что знал о механической обработке такой полости, а затем отправились в Японию, чтобы провести первоначальную сборку и испытания.Отец Танабэ называл их последнюю камеру «проектом детского сада», но это сработало.
Однако в исходном состоянии открытая камера будет излучать энергию во всех направлениях. Вместо этого поверх камеры была наложена сетка с отверстиями, которые были меньше длины волны энергии, содержащейся внутри. По сути, это захватило энергию внутри камеры.
Ключ в том, что у сетки есть немного места для маневра. Итак, если бы что-то вроде, скажем, мышиной лапы присутствовало, оно соприкоснулось бы с границей всей этой накопленной энергии. И помните, как длина волны — это точная длина волны, которая резонирует у мышей?
Мышь, по сути, становится проводником, высвобождая энергию из камеры в свое тело, где она улавливается 2-миллиметровой катушкой в устройстве.Куда бы мышь ни двигалась, ее тело соприкасается с энергией, втягивая ее и питая устройство. В другом месте энергия остается аккуратно сдерживаемой. Таким образом, мышь становится своим собственным локализующим устройством для подачи энергии.
Этот новый способ передачи мощности и позволил команде создать такое маленькое устройство. И в этом случае размер имеет решающее значение. Устройство является первой попыткой беспроводной оптогенетики, оно достаточно маленькое, чтобы его можно было имплантировать под кожу, и оно может даже запускать сигнал в мышцах или некоторых органах, которые ранее были недоступны для оптогенетики.Команда говорит, что устройство и новый силовой механизм открывают двери для ряда новых экспериментов, чтобы лучше понять и лечить расстройства психического здоровья, двигательные расстройства и болезни внутренних органов.
У них есть грант Stanford Bio-X на изучение и, возможно, разработку новых методов лечения хронической боли.