В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые разработали неинвазивный оптогенетический и носимый кардиостимулятор для точного и специфического контроля сердечного ритма на ≤900 ударов в минуту (уд/мин) с помощью микросветоизлучающего дисплея (LED) и системной доставки channelrhodopsin.
В исследованиях сообщалось об увеличении частоты сердечных сокращений в результате тревоги. Однако может ли тахикардия привести к тревоге, неясно. Команда ранее сообщала, что ChRmine способствует неинвазивному неврологическому модулированию глубоких краниальных цепей, что открывает возможности оптогенетического управления сердечными тканями у человека.
Об исследовании
В данном исследовании ученые разработали кардиостимулятор для неинвазивного оптогенетического управления определенными сердечными ритмами во время поведения активного типа.
Был проведен скрининг активности всего мозга, а также электрофизиологический анализ для выявления областей мозга, активированных навязанными оптогенетическими сердечными ритмами. Ограниченная кардиомиоцитами экспрессия была достигнута путем размещения ChRmine под контролем промотора тропонина T (mTNT) мышиной сердечно-сосудистой системы, используя серологический тип AAV9 cardio-trophic.
Мышиные животные дикого типа были использованы для исследования того, позволит ли системная доставка ChRmine неинвазивное оптогенетическое управление сердечными ритмами. Микросветодиод с длиной волны 591,0 нм был установлен на носимых тканевых жилетах для доставки света на кожу грудной стенки. Чтобы исследовать, могут ли сердечные ритмы, навязанные кардиостимулятором, влиять на поведение, прерывистая желудочковая тахикардия 900 ударов в минуту в течение 500 мс через каждые 1500 мс вызывалась оптогенетически для имитации нестойких аритмий, вызванных стрессом.
Для оценки аверсивного или аппетитного влияния оптогенетической кардиостимуляции были проведены тесты на предпочтение места в реальном времени (RTPP), а для оценки поведения, связанного с тревогой, - тесты в приподнятом плюсовом лабиринте (EPM). Кроме того, команда исследовала, будет ли наблюдаться контекстное увеличение тревожно-ассоциированного поведения во время классических оперантных задач с помощью модифицированных конфликтных задач Фогеля. Готовность мышей, лишенных воды, искать вознаграждение за воду, хотя вознаграждение было связано с шоковым риском.
Трансгенные TRAP2 мышиные животные, включающие нейроны с повышенной экспрессией Fos, которые могли быть помечены маркером нейронной активации tdTomato, были использованы для скрининга всего мозга. Электрофизиологические эксперименты in vivo проводились на бодрствующих животных, чтобы оценить нейронную динамику на уровне отдельных нейронов, вызванную оптогенетическим сердечным контролем. Кроме того, было проведено оптогенетическое торможение сердца с использованием стимулированного синим светом ингибиторного типа каналородопсина iC++, чтобы исследовать возможность модуляции механизмов, вызывающих тревогу, для влияния на поведение.
a, Схема, показывающая оптический контроль сердечного ритма с помощью внешнего источника света при ретроорбитальной инъекции AAV9-mTNT::ChRmine-p2A-oScarlet. b, Конфокальные изображения поперечного среза, показывающие однородную трансгенную экспрессию ChRmine-p2A-oScarlet (красный) с окрашиванием DAPI (синий) в предсердиях и желудочках. Масштабные линейки, 1 мм (основная); 100 мкм (вставка). c, Пример электрокардиограммы (ЭКГ) с оптической кардиостимуляцией с использованием света 589 нм, подаваемого с частотой 15 Гц (при 900 ударах в минуту) с шириной импульса 10 мс и облучением 160 мВт мм-2. Масштабная линейка - 500 мс. Следы на вставке: ЭКГ-сигнал до и после подачи света (серый) и при включении и выключении света (красный). Шкала, 50 мс, 0,5 мВ. d, Достоверность фотоактивированных комплексов QRS при 900 ударах в минуту в зависимости от оптического облучения кожи (n = 6 мышей). e, Пример ЭКГ-следов отдельных 10-минутных оптических импульсов. Серые наконечники стрелок указывают на P-волны, связанные с синусовым ритмом, которые отменяются (красные наконечники стрелок) во время оптической стимуляции. Масштабная линейка, 25 мс, 0,25 мВ. f, Примеры ЭКГ-отпечатков при частоте 600, 800 и 1 000 ударов в минуту. Масштабная линейка, 50 мс, 0,5 мВ. Заштрихованная область показывает период освещения на заданной частоте при 100% рабочем цикле. g, Характеристика точности оптической стимуляции, показывающая зависимость частоты стимуляции от частоты сердечных сокращений, измеренной с помощью ЭКГ (n = 6 мышей). Все измерения ЭКГ проводились у наркотизированных мышей. Данные приведены в среднем ± с.д.м.
Результаты
Оптически индуцированная прерывистая желудочковая тахикардия значительно усиливала поведение, связанное с тревогой, причем только в рискованных ситуациях, что указывает на участие мозга (центрального) и тела (периферического) в эмоциональном развитии. Задне расположенная инсулярная область коры (pIC) была идентифицирована как вероятный регулятор обработки интероцептивного типа "снизу вверх" сердца, оптогенетическая блокада которой подавляла тревожно-ассоциированное поведение, первоначально вызванное оптогенетической кардиоваскулярной стимуляцией.
Заражение кардиомиоцитов AAV9-mTNT::ChRmine-2A-oScarlet приводило к активированным светом сокращениям при облучении 0,10 мВт на мм 2. Ретро-орбитальные инъекции AAV9 привели к ограниченной, но однородной экспрессии ChRmine в кардиомиоцитах, без внецелевой экспрессии в других сердечных клетках, таких как фибробласты, нейронные ганглии и другие органы.
Сочетание молекулярного подхода с доступными электронными устройствами способствовало устойчивой и неинвазивной кардиостимуляции в заранее заданных ритмах, подходящих для оценки поведения свободно передвигающихся мышей. В тесте EPM мыши после оптической стимуляции ограниченно исследовали открытые (открытые) руки аппарата. После введения шока мыши с оптическим кардиостимулятором подавляли или отменяли поиск воды, при этом увеличивалось чувство страха.
Оптический пейсинг повышал уровень рибонуклеиновой кислоты (мРНК) Fos в ПИК и стволе мозга, особенно в сенсорных нейронах nucleus tractus solitarius и норадренергических нейронных клетках locus coeruleus, связанных со стрессом и возбуждением. Оптогенетическая стимуляция активировала pIC, блокада которого сама по себе была недостаточна для вызывания анксиолиза. Прерывистая стимуляция сердца при частоте 660,0 ударов в минуту не приводила к тревожноподобному поведению, что указывает на то, что существенное значение имела измененная частота, а не внешняя природа времени сердечных сокращений.
Ослабление анксиогенного поведения при оптогенетическом ингибировании pIC указывает на случайное участие инсулярной области в ассимиляции сенсорных кардиологических данных с контекстуальной оценкой рисков окружающей среды, участвующих в формировании моделей адаптивного поведения. Полученные данные указывают на участие инсулы в оценке консуматорных и интероцептивных внутренних состояний для обучения соответствующим реакциям, связанным с поведением.
Результаты показали, что у млекопитающих возможны клеточно-специфические, временно-точные и неинвазивные возмущения физиологии органов. Разработанный метод, не требующий специальной хирургии или оптоэлектроники, может быть применен к различным физиологическим системам органов человеческого тела, открывая новые возможности для изучения сложных механизмов здоровья и болезни.
В целом, результаты исследования показали, что для лучшего понимания происхождения эмоций и поведения необходимо выяснить периферические и центральные пути. Кроме того, результаты исследования продемонстрировали обобщающий метод для временной точной и неинвазивной функциональной оценки совместных органных физиологических взаимодействий в клеточных мишенях во время тревожно-подобного поведения.
Источник: https://www.news-medical.net/news/20230306/Researchers-optically-evoke-tachycardia-enhanced-anxiety-like-behaviour.aspx
