Крупномасштабная оптогенетическая нейрофизиологическая платформа для повышения доступности поведенческих экспериментов на приматах, не являющихся человеком

Открывая окно в рабочий мозг

Понимание того, как активность мозга порождает поведение, — одна из крупнейших задач нейронауки, особенно у видов с мозгами, близкими к человеческому. В этой статье описана новая экспериментальная платформа, которая позволяет исследователям облучать мозг обезьян, чтобы усиливать или ослаблять активность конкретных нервных клеток, одновременно регистрируя возникающую мозговую активность и наблюдая изменения в поведении. Стабилизируя и упрощая этот набор инструментов, работа нацелена на ускорение исследований состояний, таких как инсульт, депрессия и другие расстройства мозга.

Новый набор инструментов для управления мозгом с помощью света

Исследователи поставили перед собой практическую задачу: оптогенетика — управление нейронами с помощью светочувствительных белков — преобразила исследования на грызунах, но в обезьянах оказалась гораздо сложнее. Большие размеры мозга требуют широкого покрытия, длительные эксперименты нуждаются в оборудовании, которое может безопасно оставаться на месте годами, а во многих лабораториях нет доступа к специализированной хирургической визуализации. Команда разработала модульную платформу, объединяющую пять ключевых элементов: изготовленную на заказ камеру, монтирующуюся на черепе; прозрачную искусственную дура, которая одновременно служит массивом электрических сенсоров; гибкие источники света, покрывающие большие области мозга; более простой метод распространения светочувствительных белков по широким участкам; и программное обеспечение для очистки электрических записей от помех, связанных со светом.

Прозрачное окно с встроенными пунктами прослушивания

В центре системы находится «мультимодальная искусственная дура» — мягкая прозрачная крышка, заменяющая часть естественной оболочки мозга. В этом прозрачном листе встроены десятки крошечных электродов, которые мягко лежат на поверхности мозга и регистрируют электрическую активность на большой площади. Крышка имеет форму неглубокой шляпы с полями, которые заходят под край удалённой естественной дуры, чтобы препятствовать её повторному отрастанию, которое могло бы блокировать свет. Кабели от электродов укладываются в канавки внутри титановой камеры, закреплённой на черепе; там их можно легко подключать к прибору для записи при необходимости, а между сессиями — надёжно хранить. У двух макак-резусов эта камера и крышка оставались стабильными почти четыре и пять лет соответственно.

Доставка света и светочувствительных белков в масштабе

Чтобы управлять нейронами, команде сначала нужно было распространить ингибирующий светочувствительный белок Jaws по широким участкам париетальной коры. Вместо медленной диффузии из точечных инъекций или технически сложных процедур с МРТ-навигацией они использовали конвекционно-усиленную доставку: крошечная игла со ступенчатым наконечником аккуратно нагнетает вирусный раствор в ткань под давлением, что позволяет ему равномерно распространяться по окружающему мозгу. Поскольку поверхность мозга была видна через хирургическое отверстие, хирурги могли сразу заметить и исправить любую утечку. Через несколько недель прозрачная крышка позволила визуализировать зелёную флуоресценцию на той же области, подтвердив успешную экспрессию на десятках квадратных миллиметров. Для стимуляции группа создала плоские матрицы светодиодов в красном и синем спектрах, расположенные над прозрачной крышкой и отделённые стеклянной крышкой и воздушным зазором для ограничения нагрева. Светодиоды питаются плавными аналоговыми токами, чтобы избежать электрических помех в записях, и могут формировать пространственно-временные паттерны для стимуляции отдельных участков коры.

Слушая сквозь свет и исследуя движение

Яркие вспышки света создают собственные электрические артефакты, которые могут заглушать тонкие нейронные сигналы. Чтобы решить эту проблему, исследователи сначала записали, как стимуляция выглядит в простом солевом растворе, а затем использовали эти шаблоны для вычитания свет-индуцированных артефактов из записей мозга обезьян. С этой коррекцией они показали, что красный свет над тканью, экспрессирующей Jaws, надёжно изменял мозговые ритмы как в состоянии покоя, так и во время выполнения задания на достижение цели рукой. Удивительно, что хотя Jaws предназначен для подавления нейронов, поверхностные записи часто показывали увеличение мощности на многих частотах. Моделирование и предыдущие работы указывают на вероятный механизм: сильная инъибиция вблизи поверхности может снять торможение с более глубоких клеток, в результате чего повышается активность в слоях, которые вносят основной вклад в поверхностные сигналы.

Замедление достижения цели короткой вспышкой света

Чтобы проверить, влияют ли эти нейронные изменения на поведение, обезьян обучали тянуться из центральной стартовой точки к одной из четырёх мишеней на экране правой рукой. В половине испытаний 900-миллисекундная вспышка красного света подавалась в заднюю париетальную кору — область, известную своей ролью в планировании и наведении движений руки. Базовая форма траекторий оставалась схожей, но время достижения цели и длина пути увеличивались, особенно при движениях вниз и влево и особенно у обезьяны с более сильной экспрессией возле ключевой париетальной борозды. Одновременно высокочастотная активность над светочувствительным участком более сильно возрастала в стимулированных испытаниях по сравнению с близлежащими неэкспрессирующими областями, связывая оптогенетическое воздействие с локальными изменениями в цепях и измеримыми задержками в поведении.

Почему это важно для исследований мозга и медицины

Эта работа предоставляет долгосрочное, гибкое «окно» в мозг обезьян, которое позволяет учёным одновременно управлять и наблюдать большие нейронные сети в течение месяцев и лет. Отказываясь от необходимости проведения МРТ в реальном времени во время операции, опираясь на коммерчески доступные компоненты и базовые лабораторные инструменты, а также открыто распространяя конструкции и код, платформа снижает барьер для многих групп, желающих применять передовые оптогенетические исследования у нечеловеческих приматов. В долгосрочной перспективе такие инструменты могут пролить свет на то, как распределённые мозговые контуры поддерживают движение, восприятие и восстановление после травм, а также помочь в доработке стимуляционных терапий для человеческих неврологических и психиатрических расстройств.

Цитирование: Griggs, D.J., Stanis, N., Bloch, J. et al. A large-scale optogenetic neurophysiology platform for improving accessibility in non-human primate behavioral experiments. Nat Commun 17, 3128 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69448-3

Ключевые слова: оптогенетика, нечеловеческие приматы, электрокортикография, нейростимуляция, двигательное поведение