Close

Био- и нейрофотоника

Биофотоника является разделом науки, стоящим на стыке биологии и физики, и следуя своему  названию, объединяет явления и методики, связанные с взаимодействием биологических объектов и света (фотонов). Под этими явлениями понимаются испускание, детектирование, поглощение, отражение, модификация и генерация электромагнитного излучения (света) в биологических объектах — клетках, тканях и организмах. Можно выделить два основных направления в биофотонике – это использования света в качестве инструмента воздействия на биологические ткани, связанного с передачей энергии (терапия, хирургия), и, с другой стороны, использование света для получения информации о состоянии биологических объектов (при этом чаще всего под термином биофотоника подразумевается именно второе направление).

Начало этого направления в нашей группе  связано с развитием плодотворного  сотрудничества с группой профессора К. В. Анохина в НИИ нормальной физиологии имени П. К. Анохина РАМН и НБИКС центра НИЦ «Курчатовский институт» в области применения оптических методов для нейрофизиологических задач. Проблема исследований головного мозга, законов его активности, процессов формирования сознания и памяти, когнитивных функций и др. является одной из  наиболее интригующих задач современной науки. Активные исследования ведутся во многих направлениях, как в клинических условиях, так и в научных лабораториях. Поэтому разработка новейших инструментов и методов для исследований мозга представляется одним из приоритетных направлений развития  современных технологий. Для того, чтобы понять, какие клеточные и системные процессы лежат в основе специфичного поведения, адаптации и обучения, необходимо визуализировать работу мозга на клеточном уровне и проводить исследования различных динамических свойств нейронов, вовлеченных в разнообразные виды когнитивной деятельности живых организмов. В настоящее время существуют разнообразные физические методы исследования мозга, например, магнитно-резонансная томография, позитронно-эмиссионная томография и магнито-энцефалография. Каждый из этих методов позволяет получить важную информацию о функциональном состоянии мозга. Однако, ни один из них не обеспечивает пространственного разрешения, необходимого для исследования фундаментальных нейробиологических процессов, обусловливающих работу мозга, на уровне отдельных клеток. Электрофизиологические методы до сих пор остаются основным средством изучения нейронной активности живых бодрствующих животных. Однако, прямой электрический контакт c клеткой при электрофизиологических измерениях может значительно повлиять на её активность и исказить результат эксперимента.  Методы оптической физики открывают уникальные возможности как для исследования различных биологических объектов, в частности, мозга. На стыке передовых лазерных технологий и современной нейробиологии стремительно развивается новое междисциплинарное направление естественнонаучных исследований — нейрофотоника, в рамках которого разрабатывается обширный арсенал средств и оптических инструментов для функциональной диагностики мозга, стимуляции отдельных нейронов и их сетей, молекулярной инженерии клеток мозга с целью диагностики и терапии нейродегенеративных и психических заболеваний, а также для проведения и мониторинга нейрохирургических операций.  Ниже представлена сравнительная диаграмма различных физических методов исследования и диагностики мозга с точки зрения их пространственного и временного разрешения.

Физические методы регистрации нейронной активности в живом мозге и роль оптических технологий: позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ); функциональная магнитноезонансная томография (ФМРТ); магнитоэнцефалография (МЭГ).

В настоящее время общепризнано, что оптические методы (биофотоника) являются одними из наиболее перспективных направлений проведения диагностики и измерений с клеточным пространственным разрешением в биомедицинских приложениях и являются практически безальтернативным способом наблюдения за молекулярными процессами в отдельных клетках в контексте функциональной активности всего живого организма. Оптические методы позволяют существенно снизить нежелательное влияние зондирующего сигнала на клетку и обладают рядом принципиальных преимуществ перед другими методами исследования мозга. Одним из важнейших преимуществ оптических технологий изучения мозга является возможность одновременной регистрации сразу нескольких факторов нейронной активности.

Основным направлением сотрудничества c группой К. В. Анохина являлись вопросы, связанные с применением волоконных  технологий и нелинейно-оптических методов для исследования физических основ памяти и когнитивных функций мозга. Для визуализации нейронных активностей применялись различные типы волоконно-оптических нейроинтерфейсов, которые позволяют исследовать процессы на произвольных глубинах головного мозга лабораторных животных. Применение различных типов волокон и конструкций нейроинтрефейсов и оптогенетических технологий обеспечивает  возможность проведения измерений с клеточным разрешений с живыми свободноподвижными животными на временных масштабах от нескольких минут до нескольких месяцев. В настоящее время развитие методик применения различных типов оптоволоконных нейроинтерфейсов продолжается в рамках сотрудничества с институтом перспективных исследований мозга МГУ имени М. В. Ломоносова, который возглавляет академик РАН, профессор К. В. Анохин.

Лабораторная трансгенная мышь со вживленным нейроинтерфейсом.

Другим направлением исследований в области биофотоники явилась нелинейно-оптическая микроскопия нейронных клеток. На начальном этапе сотрудничества с группой К. В. Анохина сотрудники лаборатории имели возможность работать в НИЦ «Курчатовский институт» на уникальной многофункциональной мультифотонной системе OLYMPUS FV1000MPE с фемтосекундным лазером оптической накачки. В настоящее время в лаб. 312 МГУ имеется многофункциональный многофотонный микроскоп с двумя фемтосекундными источниками и оптическим параметрическим генератором, позволяющими проводить измерения в широком спектральном диапазоне.

В настоящее время спектр биофизических работ группы значительно расширился. Большое значение имеет сотрудничество с группой профессора В.В.Белоусова (Институт биоорганической химии РАН (ИБХ РАН)) в области термогенетики. Суть термогенетических исследований заключается в анализе возможности оптического контроля и управления функциональной деятельностью как отдельных клеток, так и целых живых организмов за счет изменения температуры специальных термочувствительных каналов, встраиваемых в мембраны клеток с помощью генной инженерии. Среди других текущих и перспективных задач в области биофотоники можно выделить развитие новых методов, в том числе с использований оптических волокон для исследования спектральных и временных свойств новых типов биомаркеров.

Схема эксперимента и нелинейно-оптическое изображение нейронов в тканях мозга лабораторной мыши.