Ученые NIH BRAIN Initiative использовали машинное обучение, чтобы изменить дизайн бактериального белка растения Венерина мухоловка, который может контролировать уровень серотонина в мозге в режиме реального времени, - пишет eurekalert.org.
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 первую очередь на мышах, показали, что датчик может обнаруживать тонкие изменения в уровнях серотонина в мозге в реальном времени 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 проводилось под руководством Линь Тиана - доктора философии, главного исследователя Медицинской школы Калифорнийского университета Дэвиса. 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, когда захватывает серотонин. Ранее ученые лаборатории Лорен Л. Лугер, доктора философии Исследовательского кампуса Джанелии Медицинского института Говарда Хьюза (Эшберн, Вирджиния), использовали 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 Tian работала с командой доктора Лугера и лабораторией Вивианы Градинару, доктора философии Калифорнийского технологического института (Пасадена, Калифорния), чтобы показать, что им нужна дополнительная помощь искусственного интеллекта для полного изменения конструкции OpuBC как ловушки 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 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 лекарствами, включая кокаин, МДМА (также известный как экстази) и несколько широко используемых антидепрессантов.
Наконец, эксперименты на мышах показали, что датчик может помочь
ученым изучить 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 более сильное падение,
когда мыши входили в фазу быстрого сна. Традиционные методы
мониторинга серотонина не заметили бы этих изменений. Кроме того,
ученые увидели, что уровень серотонина повышался по-разному в
двух разных цепях страха в мозгу, когда мышей предупреждали о
ударе ногой звонком. 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.
[Фото: eurekalert.org]
