Mozak i digestivni trakt su u stalnoj komunikaciji, prenoseći signale koji pomažu u kontroli hranjenja i drugih ponašanja. Ova široka komunikaciona mreža takođe utiče na naše mentalno stanje i umešana je u mnoge neurološke poremećaje.
Inženjeri MIT-a su sada dizajnirali novu tehnologiju koja se može koristiti za ispitivanje tih veza. Koristeći vlakna ugrađena sa različitim senzorima, kao i izvore svetlosti za optogenetsku stimulaciju, istraživači su pokazali da mogu da kontrolišu neuronska kola koja povezuju creva i mozak kod miševa.
U novoj studiji, istraživači su pokazali da mogu da izazovu osećaj sitosti ili ponašanja u potrazi za nagradom kod miševa manipulacijom ćelijama creva. U budućem radu, nadaju se da će istražiti neke od korelacija koje su uočene između zdravlja probavnog sistema i neuroloških stanja kao što su autizam i Parkinsonova bolest.
„Ovde je uzbudljivo to što sada imamo tehnologiju koja može da pokrene funkciju creva i ponašanja kao što je hranjenje. Još važnije, imamo mogućnost da počnemo da pristupamo unakrsnom preslušavanju između creva i mozga sa preciznošću od milisekunde optogenetike, i možemo učinite to u ponašanju životinja“, kaže Polina Anikeeva, Matoula S. Salapatas profesor nauke o materijalima i inženjeringu, profesor mozga i kognitivnih nauka, pomoćnik direktora MIT-ove Istraživačke laboratorije za elektroniku i član MIT-ovog McGovern instituta za istraživanje mozga .
Anikeeva je stariji autor nove studije, koja se pojavljuje u Nature Biotechnologi. Glavni autori rada su diplomirani student MIT-a, Atharva Sahasrabudhe, postdoktor Univerziteta Duke Laura Rupprecht, postdoc MIT Sirma Orguc i bivši postdoc MIT Tural Khudiiev.
Prošle godine, Institut McGovern je pokrenuo Centar za mozak K. Lize Jang za proučavanje interakcije između mozga i drugih organa u telu. Istraživanja u centru se fokusiraju na osvetljavanje kako ove interakcije pomažu u oblikovanju ponašanja i opšteg zdravlja, sa ciljem razvoja budućih terapija za razne bolesti.
„Postoji kontinuirano dvosmerno preslušavanje između tela i mozga“, kaže Anikeeva. „Dugo smo mislili da je mozak tiranin koji šalje izlaz u organe i kontroliše sve. Ali sada znamo da postoji mnogo povratnih informacija u mozak, a ova povratna informacija potencijalno kontroliše neke od funkcija koje mi su ranije pripisivali isključivo centralnoj neuronskoj kontroli.“
Anikeeva, koja rukovodi novim centrom, bila je zainteresovana za ispitivanje signala koji prolaze između mozga i nervnog sistema creva, koji se takođe naziva enterični nervni sistem. Senzorne ćelije u crevima utiču na glad i sitost putem neuronske komunikacije i oslobađanja hormona.
Otpetljavanje ovih hormonskih i neuronskih efekata bilo je teško jer nije postojao dobar način za brzo merenje neuronskih signala, koji se javljaju u roku od milisekundi.
„Da bismo mogli da izvršimo optogenetiku creva, a zatim da izmerimo efekte na funkciju i ponašanje mozga, što zahteva milisekundnu preciznost, potreban nam je uređaj koji nije postojao. Zato smo odlučili da ga napravimo“, kaže Sahasrabudhe, koji je vodio razvoj crevnih i moždanih sondi.
Elektronski interfejs koji su istraživači dizajnirali sastoji se od fleksibilnih vlakana koja mogu da obavljaju različite funkcije i mogu se ubaciti u organe od interesa. Da bi napravio vlakna, Sahasrabudhe je koristio tehniku zvanu termičko crtanje, što mu je omogućilo da stvori polimerne filamente, tanke poput ljudske kose, u koje se mogu ugraditi elektrode i temperaturni senzori.
Filamenti takođe nose uređaje koji emituju svetlost mikrorazmera koji se mogu koristiti za optogenetičku stimulaciju ćelija i mikrofluidne kanale koji se mogu koristiti za isporuku lekova.
Mehanička svojstva vlakana mogu se prilagoditi za upotrebu u različitim delovima tela. Za mozak, istraživači su stvorili čvršća vlakna koja se mogu uvući duboko u mozak. Za organe za varenje kao što je creva, dizajnirali su delikatnija gumena vlakna koja ne oštećuju sluznicu organa, ali su i dalje dovoljno čvrsta da izdrže surovo okruženje digestivnog trakta.
„Da bi se proučavala interakcija između mozga i tela, neophodno je razviti tehnologije koje mogu da se povezuju sa organima od interesa kao i sa mozgom u isto vreme, dok snimaju fiziološke signale sa visokim odnosom signal-šum“, Sahasrabudhe kaže. „Takođe moramo biti u mogućnosti da selektivno stimulišemo različite tipove ćelija u oba organa kod miševa kako bismo mogli da testiramo njihovo ponašanje i izvršimo uzročne analize ovih kola.“
Vlakna su takođe dizajnirana tako da se mogu kontrolisati bežično, koristeći eksterno kontrolno kolo koje se može privremeno pričvrstiti na životinju tokom eksperimenta. Ovo bežično kontrolno kolo razvili su Orguc, Schmidt Science Fellov, i Harrison Allen, MEng, koji su bili ko-savetnici između laboratorije Anikeeva i laboratorije Anantha Chandrakasan, dekana MIT-ove škole inženjeringa i Vannevar Bush profesora elektrotehnike i računarstva.
Koristeći ovaj interfejs, istraživači su izveli niz eksperimenata kako bi pokazali da mogu uticati na ponašanje kroz manipulaciju crevima kao i mozgom.
Prvo, koristili su vlakna da isporuče optogenetsku stimulaciju u deo mozga koji se zove ventralna tegmentalna oblast (VTA), koja oslobađa dopamin. Smestili su miševe u kavez sa tri komore, a kada su miševi ušli u jednu određenu komoru, istraživači su aktivirali dopaminske neurone. Nastala eksplozija dopamina učinila je da se miševi vrate u tu komoru u potrazi za nagradom dopamina.
Zatim su istraživači pokušali da vide da li bi takođe mogli da izazovu takvo ponašanje u potrazi za nagradom uticajem na creva. Da bi to uradili, koristili su vlakna u crevima za oslobađanje saharoze, što je takođe aktiviralo oslobađanje dopamina u mozgu i podstaklo životinje da potraže komoru u kojoj su bile kada je saharoza isporučena.
Zatim, radeći sa kolegama sa Univerziteta Duke, istraživači su otkrili da mogu da izazovu isto ponašanje u potrazi za nagradom preskakanjem saharoze i optogenetski stimulišući nervne završetke u crevima koji obezbeđuju ulaz u vagusni nerv, koji kontroliše varenje i druge telesne funkcije.
„Opet smo dobili ovo preferirano ponašanje koje su ljudi ranije videli sa stimulacijom u mozgu, ali sada ne dodirujemo mozak. Mi samo stimulišemo creva i posmatramo kontrolu centralne funkcije sa periferije“, Anikeeva kaže.
Sahasrabudhe je blisko sarađivao sa Rupprechtom, postdoktorom u grupi profesora Dijega Bohorkeza u Dukeu, kako bi testirao sposobnost vlakana da kontrolišu ponašanje hranjenja. Otkrili su da uređaji mogu optogenetski stimulisati ćelije koje proizvode holecistokinin, hormon koji podstiče sitost. Kada se aktiviralo ovo oslobađanje hormona, apetiti životinja su bili potisnuti, iako su postile nekoliko sati. Istraživači su takođe pokazali sličan efekat kada su stimulisali ćelije koje proizvode peptid nazvan PII, koji obično smanjuje apetit nakon konzumiranja veoma bogate hrane.
Istraživači sada planiraju da koriste ovaj interfejs za proučavanje neuroloških stanja za koja se veruje da imaju vezu između creva i mozga. Na primer, studije su pokazale da je kod dece sa autizmom mnogo veća verovatnoća nego kod njihovih vršnjaka da se dijagnostikuje GI disfunkcija, dok anksioznost i sindrom iritabilnog creva dele genetske rizike.
„Sada možemo da počnemo da se pitamo, da li su to slučajnosti, ili postoji veza između creva i mozga? I možda postoji prilika da se uključimo u ta kola creva i mozga da bismo počeli da upravljamo nekim od tih stanja manipulisanjem perifernim kola na način koji direktno ne ‘dodiruje’ mozak i manje je invazivan“, kaže Anikeeva.
