Учёные, которые научились управлять клетками мозга с помощью света, стали лауреатами Нобелевской премии по физиологии или медицине в этом году. Награда присуждена Карлу Дейсероту, Петеру Хегеманну и Георгу Нагелю за исследования «светоуправляемых ионных каналов и оптогенетики».

Но путь к одному из самых ярких инструментов современной нейробиологии начался вовсе не с медицины, а с вопроса о том, как крошечная одноклеточная водоросль Chlamydomonas чувствует свет. Петер Хегеманн из Берлинского университета имени Гумбольдта и Георг Нагель из Вюрцбургского университета пытались понять, каким образом этот организм ориентируется в освещении.

Способность воспринимать свет не уникальна для животных с глазами. Во всём живом мире организмы используют свет, чтобы определять окружающую среду и реагировать на её изменения. Даже одноклеточные существа обладают белками, чувствительными к свету: они помогают им двигаться к источнику света или от него, вырабатывать энергию и подстраиваться под ритм 24-часовых суток.

Хегеманн и Нагель выяснили, что у Chlamydomonas есть изящный механизм светочувствительности, основанный на одном белке — channelrhodopsin. Он встроен во внешнюю мембрану клетки водоросли: одна его часть обращена наружу, другая — внутрь. В белке также содержится небольшая молекула ретинальдегида, способная поглощать свет.

Когда свет попадает на ретинальдегид внутри channelrhodopsin, молекула меняет форму — и вслед за ней меняет форму сам белок. Это открывает крошечный проход через клеточную мембрану. Через него внутрь клетки из воды снаружи начинают поступать положительно заряженные частицы, включая натрий. Такой поток заряженных частиц запускает сигнал, который помогает водоросли плавать.

На первый взгляд это могло бы остаться просто красивым биологическим открытием. Но ключ к Нобелевской премии оказался в том, что нервные клетки работают похожим образом: их активность тоже регулируется движением ионов через мембрану. Когда положительно заряженные частицы входят в нейрон, он может становиться активнее.

Исследователи поняли: если встроить channelrhodopsin в нервные клетки, их можно будет включать простым световым сигналом. Именно это и сделали Хегеманн, Нагель и третий лауреат премии — Карл Дейсерот, психиатр и биоинженер из Стэнфордского университета в Калифорнии.

Так родилась оптогенетика — метод, позволяющий управлять нейронами с помощью света. Он быстро стал мощнейшим исследовательским инструментом: учёные могут включать и выключать отдельные группы нервных клеток и наблюдать, как меняется поведение организма.

Сначала в нужные клетки вводят ген channelrhodopsin. Обычно его доставляют с помощью вируса, специально изменённого так, чтобы он не вызывал болезнь. После этого клетки начинают вырабатывать светочувствительный белок и реагируют на свет. У животных, например у мышей, свет можно направлять в мозг через тонкое оптическое волокно. Когда свет достигает клеток, channelrhodopsin открывается, и нейроны становятся активными. При этом соседние нервные клетки, не содержащие белок, не затрагиваются.

Главное преимущество метода — невероятная точность. Свет можно направить на очень небольшую область мозга и включать или выключать его почти мгновенно. Это делает оптогенетику особенно ценной для изучения памяти, сна, чувствительности и движения.

Один из самых известных экспериментов провели в 2012 году в Массачусетском технологическом институте. Мышам в определённой клетке нанесли слабый электрический разряд. Затем с помощью оптогенетики учёные пометили нейроны в центре памяти мозга, которые активировались во время этого эксперимента по формированию страха. Спустя несколько дней, уже в другой клетке, эти же нейроны включили светом. Мыши замерли от страха, будто вспомнили удар током. Животные, которых током не били, не замирали — это показало, что свет активировал именно конкретное воспоминание. Одним из авторов исследования был Дейсерот.

Сегодня оптогенетика изменила возможности учёных в изучении мозга и нервной системы. Более того, у метода может появиться и лечебное будущее. Уже идут ранние клинические испытания для людей с дегенерацией сетчатки: в сохранившиеся нервные клетки сетчатки вводят светочувствительные белки, чтобы заменить функции погибших палочек и колбочек и частично вернуть зрение.

Исследователи также изучают, может ли оптогенетика в перспективе помочь при неврологических заболеваниях, включая болезнь Паркинсона и эпилепсию.

В этом году Нобелевская премия отмечает работу, которая началась с, казалось бы, узкого и почти философского вопроса: как Chlamydomonas плывёт к свету? Тогда это не выглядело как путь к практической пользе, не обещало немедленного прорыва в медицине и уж точно не сулило быстрых богатств. Но именно такие исследования напоминют: задавать вопросы ради понимания мира необходимо, потому что невозможно заранее предсказать, куда приведёт знание.