Umysł wolny, czy sterowany?
źródło: Nature Neuroscience
Nieinwazyjna optogenetyka, czyli sterowanie neuronów światłem
Ludzki mózg, to skomplikowany układ, zawierający średnio 86 miliardów neuronów, z czego 69 miliardów znajduje się w móżdżku – niewielkiej strukturze znajdującej się w tylnej części mózgu, od której zależy koordynacja ruchowa. Cała kora mózgowa – obszar mózgu, który, jak się uważa, odpowiada za ludzką myśl i kulturę – ma ich zaledwie 17 miliardów, a w pozostałej części mózgu znajduje się nieco mniej niż miliard neuronów. Ten perfekcyjny mechanizm pozwala nam się poruszać, myśleć, komunikować, wykonywać skomplikowane czynności, odczuwać emocje, zapamiętywać. Okazuje się, że kierowanie pracą mózgu może odbywać się także z zewnątrz. Jak dotąd, naukowcom udało się już m.in. zahamować nerwicę natręctw, czy wymazać nieprzyjemne wspomnienia. Odkrycie to zawdzięczamy optogenetyce, czyli dziedzinie nauki pozwalającej sterować aktywnością określonej grupy neuronów za pomocą światła.
Optogenetyka jest nową, dynamicznie rozwijającą się dziedziną nauki, która umożliwia przy pomocy światła kontrolować i eksplorować aktywność mózgu. Jest metodą znacznie mniej inwazyjną niż stosowane dotychczas, starsze techniki tj. głęboka stymulacja mózgu. Obecność światłoczułych białek (opsyn) pozwala stymulować lub wyciszać sygnały w neuronach. Dotychczasowe techniki opierały się m.in. na wprowadzeniu źródła światła w postaci włókien optycznych do wnętrza mózgu w pobliżu sterowanych komórek. Jak można się domyślić, sprawia to wiele trudności natury etycznej, jak i medycznej (trudna implantacja), a w badaniach trwających przez dłuższy czas (np. badania nad rozwojem mózgu, gdy jego wielkość ulega z czasem zmianie) oraz do analizy chorób o podłożu neurodegeneracyjnym (gdzie implant mógł w pewien sposób oddziaływać na fizjologię mózgu), jest wielce ograniczająca.
Tymczasem, Edward Boyden wraz z zespołem z MIT Media Lab, opracował nową metodę, która pozwala na wykorzystanie źródła światła z zewnątrz organizmu. Inżynierowie skonstruowali molekuły (Jaws) pozwalające na nieinwazyjne wyciszanie neuronów. Tu można obejrzeć wizualizację metody: ZOBACZ
W efekcie powstaje biologiczny przełącznik. Większość wykorzystywanych dotychczas w optogenetyce opsyn (światłoczułe białka) była wrażliwa na niebieskie i zielone światło. Zespół Boydena jakiś czas temu opisał dwie światłoczułe pompy jonowe (reagujące na czerwone światło) występujące naturalnie w bakteriach Haloarcula marismortui i Haloarcula vallismortis. Prąd przez nie wytwarzany był jednak niewystarczający do właściwej kontroli neuronów. Poprzez tworzenie różnych wariantów mutantów zespół skonstruował nową pompę, która była nadal wrażliwa na światło czerwone, ale dawała znacznie silniejszą odpowiedź pobudzającą lub hamującą neurony, niż swój naturalny poprzednik.
Dzięki wykorzystaniu tak otrzymanej opsyny naukowcom udało się wyciszyć aktywność neuronów w mózgu myszy przy wykorzystaniu zewnętrznego źródła światła czerwonego. Metoda okazała się równie skuteczna, co przy wykorzystaniu innych źródeł światła w przypadku dotychczas stosowanej optogenetyki inwazyjnej. Wcześniejsze badania wykorzystujące zewnętrzne źródło światła dotyczyły nocyreceptorów, które zlokalizowane są tuż pod skórą. tym razem, dzięki zastosowaniu Jaws udało się wyciszyć neurony wewnątrz mózgu. Co więcej, upatruje się również potencjalnego zastosowania Jaws w przypadku leczenia barwnikowych zwyrodnień siatkówki, ponieważ bardzo przypominają naturalne opsyny oka, będąc jednocześnie znacznie bardziej wrażliwymi na światło.
Boyden tak mówi o swoim odkryciu: Twój mózg pośredniczy wszystkiemu co czujesz, myślisz i robisz. Mózg jest niezwykle złożony każdy jego milimetr sześcienny zawiera prawdopodobnie sto tysięcy komórek, połączonych miliardami synaps, z których każda działa z dokładnością do milisekundy. Tworzymy narzędzia, umożliwiające mapowanie cząsteczek i zwojów, rejestrację i kontrolę neuronowej dynamiki i naprawę możliwych dysfunkcji. Zajmujemy się dystrybucją naszych narzędzi w środowisku naukowym, a także zastosowaniem ich do systematycznej analizy mózgu, zmierzającej do ujawnienia podstawowych mechanizmów jego funkcjonowania i uzyskania nowych strategii terapeutycznych w leczeniu zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych.
Poniżej link do wystąpienie Edwarda Boydena w telewizji TED (a – z polskim tłumaczeniem; b – z polskim transkryptem), w której opowiada o metodzie i otwierających się nowych metodach leczenia różnych chorób.
Uczeni wierzą, że w przyszłości technologia pozwoli leczyć dolegliwości psychiczne i neurologiczne (nerwice, depresje, paraliż, schorzenia wzroku, chorobę Parkinsona itd.), a także lepiej poznać funkcję wybranych neuronów oraz mechanizmy inteligencji i myślenia.
12.12.2014