211service.com
Dekodowanie mózgu za pomocą światła
Molekularne przełączniki światła mogą dokładnie określić, które neurony biorą udział w tworzeniu pamięci, umożliwiając naukowcom wyzwolenie tej pamięci wyłącznie za pomocą światła. Znalezisko, przedstawione na Towarzystwo Neuronauki konferencja w Chicago w tym tygodniu to tylko jeden z przykładów tego, jak nowatorska technologia zwana optogenetyką pozwala naukowcom stawić czoła głównym pytaniom bez odpowiedzi na temat mózgu, w tym roli określonych obszarów mózgu w tworzeniu pamięci, procesie uzależnienia i transformacji od snu do czuwania.
Ulga światła: Naukowcy używają kabli światłowodowych do kontrolowania aktywności neuronowej u myszy dzięki przełącznikom światła, które zostały genetycznie zmodyfikowane w określone neurony. Technologię zwaną optogenetyką można wykorzystać do połączenia określonych obwodów neuronowych z różnymi zachowaniami i chorobami.
Technologia opracowana zaledwie cztery lata temu przez Karl Deisseroth , lekarz i bioinżynier w Stanford oraz Ed Boyden , obecnie bioinżynier w MIT, jest już używany przez setki laboratoriów na całym świecie. Dzięki majsterkowaniu molekularnemu i nowym urządzeniom światłowodowym, które dostarczają światło w głąb mózgu za pomocą implantu, naukowcy mogą wykorzystać optogenetykę do badania wpływu stymulacji nerwowej na różne zachowania żywych zwierząt.
Aby uwrażliwić neurony na światło , naukowcy zaprojektowali je genetycznie, aby przenosiły białko zaadaptowane z zielonych alg. Kiedy zmodyfikowany neuron zostaje wystawiony na działanie światła przez implant światłowodowy, białko wyzwala aktywność elektryczną w komórce, która rozprzestrzenia się na następny neuron w obwodzie. Technologia ta umożliwia naukowcom znacznie dokładniejsze kontrolowanie aktywności neuronalnej niż poprzednie metody, które na ogół polegały na dostarczaniu prądu elektrycznego przez elektrodę.
Michael Hausser Zespół z University College London wykorzystuje optogenetykę do badania sposobu przechowywania wspomnień w mózgach myszy. Zgodnie z podstawowym modelem tworzenia pamięci, uczenie się nowego skojarzenia – na przykład tego, że konkretny dźwięk poprzedza porażenie prądem – aktywuje podzbiór neuronów w części mózgu zwanej hipokampem. Uważa się, że przywołanie pamięci może zostać wywołane przez aktywację tylko podzbioru komórek w tej sieci, mówi Hausser. Ale nie ma jasnych, bezpośrednich dowodów eksperymentalnych na którykolwiek z etapów tego procesu.
Hausser i jego współpracownicy genetycznie zmodyfikowali światłoczułe białko tak, aby ulegało ekspresji tylko w neuronach w hipokampie, które zostały aktywowane podczas tworzenia pamięci. Następnie nauczyli myszy bać się określonego dźwięku, łącząc go z porażeniem elektrycznym. Usłyszenie dźwięku sprawiło, że zwierzęta zamarły ze strachu i uruchomiły produkcję białka w aktywowanych komórkach mózgowych.
Następnego dnia naukowcy oświetlili hipokamp zwierząt niebieskim światłem. To wywołało aktywność tylko w podzbiorze komórek, które uruchomiły się podczas tworzenia pamięci poprzedniego dnia, powodując, że zwierzę zamarło ze strachu w odpowiedzi na światło, a nie na dźwięk. Naukowcy oznaczyli również te komórki markerem fluorescencyjnym, co pozwoliło im policzyć liczbę komórek zaangażowanych w tworzenie pamięci. Niezwykle mała liczba neuronów u tych zwierząt [jest] wystarczająca do wywołania przypominania, rzędu 100 do 200 komórek, mówi Hausser.
Oprócz wyjaśnienia najbardziej podstawowych aspektów mózgu naukowcy wykorzystują tę technologię, aby lepiej zrozumieć określone dolegliwości, takie jak depresja, choroba Parkinsona i uzależnienia, w nadziei na poprawę leczenia. Na przykład chorobę Parkinsona można leczyć za pomocą głębokiej stymulacji mózgu, w której chirurgicznie wszczepiona elektroda dostarcza impulsy do określonej struktury głęboko w mózgu. Ale procedura jest inwazyjna i niesie ze sobą ryzyko wystąpienia skutków ubocznych, takich jak depresja i zaburzenia funkcji poznawczych. Na początku tego roku zespół Deisserotha opublikował szczegóły badań z wykorzystaniem przełączników światła do badania obwodów mózgowych związanych z chorobą Parkinsona. Odkryli, że mogą złagodzić deficyty motoryczne u zwierząt z objawami podobnymi do choroby Parkinsona, aktywując cele nerwowe znacznie bliżej powierzchni mózgu.
Odkrycia wskazują na możliwość wykorzystania nieinwazyjnych metod stymulacji mózgu do leczenia pacjentów z chorobą Parkinsona, które obecnie badają Deisseroth i współpracownicy. Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS), sposób na aktywację części mózgu za pomocą magnesu umieszczonego na skórze głowy, została już zatwierdzona przez Food and Drug Administration do leczenia depresji. Ale badania z wykorzystaniem TMS w leczeniu choroby Parkinsona przyniosły mieszane wyniki, prawdopodobnie dlatego, że ludzie grzebali w różnych częściach mózgu, nie kierując się tego rodzaju wiedzą, mówi Deisseroth. W nowym badaniu naukowcy najpierw wykorzystają zaawansowane metody obrazowania mózgu, aby spróbować zidentyfikować u pacjentów z chorobą Parkinsona ludzki korelat plamki zidentyfikowanej w badaniach na zwierzętach – dokładny obszar prawdopodobnie będzie się różnić w zależności od osoby – a następnie ukierunkować konkretnie stymulację do tego regionu.
Naukowcy wykorzystują również optogenetykę do badania depresji, kolejnej choroby, którą można leczyć za pomocą stymulacji elektrycznej. Mają nadzieję wydobyć obszary mózgu odpowiedzialne za różne objawy związane z depresją, takie jak zmęczenie, beznadziejność i brak przyjemności w codziennych czynnościach.
Naukowcy naśladują depresję kliniczną u myszy, poddając je kilkudniowemu ekstremalnemu stresowi społecznemu. Po takim stresie te zwykle towarzyskie zwierzęta do końca życia powstrzymują się od interakcji społecznych. Podobnie jak depresja kliniczna u ludzi, upośledzenie to generuje nieprawidłowe wzorce aktywności nerwowej w części mózgu zwanej korą przedczołową i można je złagodzić za pomocą leków przeciwdepresyjnych.
Herbert Covington, badacz w Eric Nestler Laboratorium w Mount Sinai School of Medicine w Nowym Jorku wytworzyło wrażliwość neuronów w korze przedczołowej zestresowanych myszy na światło. Następnie stymulował neurony zwierząt za pomocą światła dostarczanego w sposób podobny do tego, który obserwuje się u zdrowych myszy eksplorujących nowe środowisko. Podobnie jak w przypadku antydepresantów, leczenie światłem spowodowało, że zwierzęta, które wcześniej się bały, miały normalne kontakty towarzyskie z innymi myszami.
Depresja to złożona mieszanka zachowań, mówi Covington. Stymulacja kory przedczołowej może przywrócić zachowanie społeczne. Następnie przyjrzymy się, czy może przywrócić aktywność – czy myszy zdecydują się robić rzeczy, które uznają za satysfakcjonujące, co często stanowi problem w depresji. Odkrycia mogą ostatecznie umożliwić naukowcom opracowanie terapii ukierunkowanych na określone aspekty choroby.
Nie jest jeszcze jasne, czy technologia optogenetyczna sama w sobie stanie się leczeniem, czy też jej główny wpływ rzuci światło na chorobę. Dwie grupy już skupiają się na potencjalnych terapiach: Ed Boyden z MIT założył startup, który ma wykorzystywać optogenetykę do przywracania wzroku osobom z zaburzeniami wzroku poprzez uwrażliwienie uszkodzonych komórek siatkówki na światło, oraz startup wydzielony z Case Western Reserve University w Cleveland, OH, planuje skomercjalizować technologię przywracania kontroli pęcherza u osób sparaliżowanych.