Серотонин – это нейрохимическое соединение, которое играет решающую роль в том, как мозг контролирует наши мысли и чувства. Например, многие антидепрессанты предназначены для изменения сигналов серотонина, передаваемых между нейронами. В статье в Cell, исследователи, финансируемые Национальным институтом здравоохранения, описали, как они использовали передовые методы генной инженерии для преобразования бактериального белка в новый исследовательский инструмент, который может помочь контролировать передачу серотонина с большей точностью, чем существующие методы. Доклинические эксперименты, в основном на мышах, показали, что датчик может в реальном времени обнаруживать тонкие изменения уровня серотонина в мозге во время сна, страха и социальных взаимодействий, а также проверять эффективность новых психоактивных препаратов. Исследование частично финансировалось NIH’s Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative (BRAIN), целью которого является революция в нашем понимании работы мозга в здоровых и болезненных условиях.
Исследование было проведено учеными из лаборатории Линь Тянь, Ph.D., главный исследователь Медицинской школы Дэвиса Калифорнийского университета. Современные методы могут обнаруживать только широкие изменения в передаче сигналов серотонина. В этом исследовании ученые превратили бактериальный белок Венеры в форме мухоловки, захватывающий питательные вещества, в высокочувствительный датчик, который флуоресцентно загорается при захвате серотонина. Ранее ученые в лаборатории Лорен Л. Лугер, Ph.D., Медицинский институт Говарда Хьюза в исследовательском кампусе Джанелии, Эшберн, Вирджиния, использовал традиционные методы генной инженерии для преобразования бактериального белка в датчик нейромедиатора ацетилхолина. Белок, называемый OpuBC, обычно захватывает питательный холин, который имеет форму, аналогичную ацетилхолину. Для этого исследования лаборатория Тиан работала с доктором. Команда Лугера и лаборатория Вивианы Градинару, Ph.D., Калтех, Пасадена, Калифорния, чтобы показать, что им нужна дополнительная помощь искусственного интеллекта, чтобы полностью изменить дизайн OpuBC как ловушку серотонина.
Исследователи использовали алгоритмы машинного обучения, чтобы помочь компьютеру «придумать» 250 000 новых дизайнов. После трех раундов испытаний ученые остановились на одном. Первоначальные эксперименты показали, что новый датчик надежно обнаруживает серотонин на разных уровнях в головном мозге, практически не реагируя на другие нейротрансмиттеры или препараты аналогичной формы. Эксперименты на срезах мозга мышей показали, что датчик реагировал на сигналы серотонина, передаваемые между нейронами в точках синаптической связи. Между тем, эксперименты с клетками в чашках Петри показали, что датчик может эффективно отслеживать изменения этих сигналов, вызванные наркотиками, включая кокаин, МДМА (также известный как экстази) и несколько широко используемых антидепрессантов.
Наконец, эксперименты на мышах показали, что датчик может помочь ученым изучать нейротрансмиссию серотонина в более естественных условиях. Например, исследователи стали свидетелями ожидаемого повышения уровня серотонина, когда мыши бодрствовали, и падения, когда мыши засыпали. Они также заметили большее падение, когда мыши, в конце концов, вошли в более глубокую зону R.E.M. состояния сна. Традиционные методы мониторинга серотонина пропустили бы эти изменения. Кроме того, ученые увидели, что уровень серотонина повышается по-разному в двух отдельных цепях страха в мозгу, когда мышей предупреждали о ударе ногой звонком в колокольчик. В одном контуре – медиальной префронтальной коре – колокол запускал быстрый и высокий подъем уровня серотонина, тогда как в другом – базолатеральном миндалевидном теле – передатчик поднимался до несколько более низких уровней. В духе инициативы BRAIN исследователи планируют сделать датчик доступным для других ученых. Они надеются, что это поможет исследователям лучше понять важную роль серотонина в нашей повседневной жизни и во многих психических заболеваниях.