Kontrola mózgu

Sprzęt w laboratorium Eda Boydena w MIT jest po prostu eklektyczny. Istnieją maszyny do analizy i łączenia genów; drukarka 3D; wycinarka laserowa zdolna do wyrzeźbienia przedmiotu z bloku metalu; Urządzenia do hodowli i badania bakterii, roślin i grzybów; maszyna do przygotowywania ultracienkich plastrów mózgu; narzędzia do analizy obwodów elektronicznych; seria urządzeń do obrazowania w wysokiej rozdzielczości. Ale Boyden najchętniej popisuje się małą, brzydką rzeczą, która wygląda jak włochaty plastikowy ząb. W rzeczywistości jest to obudowa na kilkanaście krótkich światłowodów o różnej długości, z których każdy przymocowany jest na jednym końcu do diody elektroluminescencyjnej. Kiedy ząb zostanie wszczepiony, powiedzmy, do mózgu myszy, każda z tych diod LED może dostarczyć światło w inne miejsce. Korzystając z urządzenia, Boyden może zacząć kontrolować aspekty zachowania myszy.

Widząc światła: W swoim laboratorium MIT Ed Boyden bada, w jaki sposób światłoczułe białka mogą wpływać na pracę mózgu.

Mózgi myszy, ani żadne inne mózgi, normalnie nie reagują na wbudowane światła. Jednak Boyden, który jest mianowany na MIT równie eklektycznie jak jego sprzęt laboratoryjny (asystent w Media Lab, współprofesor na Wydziale Inżynierii Biologicznej i Wydziale Nauk o Mózgu i Kognitywnych oraz lider Syntetycznej Grupy Neurobiologii), zmodyfikował niektóre komórki mózgowe z genami, które wytwarzają światłoczułe białka w roślinach, grzybach i bakteriach. Ponieważ białka powodują rozpalanie komórek mózgowych pod wpływem światła, dają Boydenowi sposób na włączanie i wyłączanie genetycznie zmodyfikowanych neuronów.

Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2010 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Ta sztuczka neuronowa umieściła Boydena w centrum optogenetyki, jednej z najnowszych dziedzin badań nad biologią – jednej, którą pomógł wymyślić i która może wpłynąć na wiele z tego, co dzieje się w neuronauce w nadchodzących dziesięcioleciach. Próbuje odpowiedzieć na bardzo podstawowe pytanie: w jaki sposób aktywność elektryczna określonych grup neuronów wpływa na myśli, uczucia i zachowanie? Choć może brzmieć to pytanie, pozostaje ono bez odpowiedzi, odkąd komórki mózgowe zostały po raz pierwszy zaobserwowane ponad sto lat temu, z tego prostego powodu, że nigdy nie było dokładnego sposobu, aby dowiedzieć się, które neurony robią co podczas określonej myśli lub zachowania . Stosunkowo nowe technologie, takie jak funkcjonalne obrazowanie rezonansem magnetycznym (fMRI), mogą wykazywać średnie poziomy aktywności w regionach obejmujących miliony neuronów, a nie tak nowe technologie, takie jak wszczepione elektrody, mogą wykrywać aktywność w bardziej specyficznym obszarze, ale żadna z nich nie może śledzić jednoczesnego lub sekwencyjne odpalanie określonego zestawu neuronów, które mogą być rozciągnięte przez różne regiony mózgu. Jednak te wzorce aktywności neuronalnej są esencją funkcji mózgu, kontrolującej funkcje poznawcze i zachowanie.

Wykorzystując światło do pobudzenia określonych zestawów genetycznie zmodyfikowanych neuronów, neuronaukowcy mogą zaobserwować, jak ta aktywność jest powiązana z określonymi bodźcami i zachowaniami, a także z zaburzeniami mózgu, takimi jak padaczka i choroba Parkinsona. Inżynierowie elektrycy opracowali zasady, dzięki którym różne pojedyncze obwody elektroniczne mogą być montowane w w pełni działający komputer; podobnie Boyden ma nadzieję odkryć zasady, zgodnie z którymi poszczególne grupy jednocześnie odpalających neuronów – obwody mózgowe, jak lubi je nazywać – współpracują ze sobą, aby mózg mógł funkcjonować.

Ostateczny cel Boydena: znaleźć sposoby na naprawę wadliwego mózgu, podobnie jak inżynierowie elektrycy analizują i zmieniają obwody elektroniczne podczas debugowania sprzętu komputerowego. W przypadku zdecydowanej większości metod leczenia ludzkich problemów neurologicznych mechanizmy leczenia nie są zrozumiałe, co oznacza, że ​​tak naprawdę nie ma logicznego sposobu na ich ciągłe poprawianie, mówi. Naszym nadrzędnym celem jest wymyślenie sposobów kontrolowania obwodów neuronowych, tak abyśmy mogli uniknąć stanów patologicznych i opracować lepsze metody leczenia. I chociaż doskonale zdaje sobie sprawę z problemów etycznych, które mogą otaczać technologię zdolną do precyzyjnego kontrolowania pewnych aspektów ludzkiego myślenia, nastroju i zachowania, jest przekonany, że optogenetyka – właśnie dlatego jest tak precyzyjny – o wiele bardziej może pomóc niż zranić. Wszystkie leki i inne metody leczenia zaburzeń neurologicznych w pewien sposób modulują myślenie i zachowanie, a wszystkie mają skutki uboczne, niektóre z nich całkiem poważne, mówi. Im bardziej możemy kierować się tylko tymi obwodami mózgu zaangażowanymi w patologię i pozostawić inne w spokoju, tym mniej skutków ubocznych prawdopodobnie zobaczymy. Być może w pewnym momencie będziemy musieli stawić czoła nowym zagrożeniom związanym z tą technologią, ale sama precyzja technologii nie powinna być postrzegana jako problem.

Optogenetyka zaczyna mieć ogromny wpływ na neuronaukę, mówi John Byrne, przewodniczący wydziału neurobiologii i anatomii w University of Texas Medical School w Houston. Wiemy dużo o tym, jak funkcjonują poszczególne neurony i jak regiony mózgu przetwarzają określone rodzaje informacji, ale ostateczną granicą jest poznanie, jak grupy neuronów komunikują się w obwodach, aby wykonywać określone funkcje, mówi. To właśnie pozwoli nam optogenetyka z fantastyczną szczegółowością.

Ogień!

Kiedy Boyden zapisał się na MIT, w wieku 16 lat, szybko skupił się na zgłębianiu zasad kontroli systemu. Na początku pomagał zaprojektować system, który pozwalał użytkownikowi kontrolować program komputerowy za pomocą ruchów rąk. Ale takie problemy wydawały się trochę zbyt rozwiązywalne – po prostu szukał lepszych sposobów kontrolowania systemów, które już wcześniej udowodniono, że można je kontrolować. Prace nad obliczeniami kwantowymi, które rozpoczęły się w jednym z zakątków Media Lab MIT, wydawały się stanowić trudniejsze wyzwanie, jakiego szukał, a Boyden spędził czwarty rok na uniwersytecie, próbując pomóc w opracowaniu techniki ujarzmiania zachowania atomów, które tymczasowo istnieją w wielu stanach kwantowo-mechanicznych. Niestety atomy okazały się zbyt niesforne, by je kontrolować, ale to samo dało Boydenowi nowy wgląd. Jeśli problem jest niemożliwy, nigdy nie czerpiesz radości z kontrolowania czegokolwiek, wyjaśnia. Musiałem rozwiązać problem, który był prawie niemożliwy.

Jak rozpalić neurony: Naukowcy zmodyfikowali genetycznie neurony u gryzoni, aby włączyć światłoczuły kanał (prawa wstawka, góra). Po wystawieniu na działanie niebieskiego światła dostarczanego przez kabel światłowodowy, kanał otwiera się, pozwalając dodatnio naładowanym jonom sodu przedostać się do komórki (prawa wstawka, dół). To z kolei wyzwala ogień w komórce, przekazując sygnał do komórek w obwodzie nerwowym.

Dla Boydena to kontrolowanie mózgu. Po MIT uzyskał doktorat z neurologii na Stanford, gdzie współpracował z neurobiologiem Karlem Deisserothem. Grupa Deisserotha, która chciała wyizolować i przeanalizować obwody pamięci, rozpoczęła pracę nad projektem, który obiecywał dostarczenie narzędzia do eksploracji innych obwodów mózgu. Naukowcy wcześniej wykazali, w jaki sposób rozbłyski światła można wykorzystać do nakłonienia komórek mózgowych do wypalania, ale techniki nie były wystarczająco dopracowane, aby zbadać określone obwody mózgowe. Badacze ze Stanford wiedzieli jednak, że komórki wielu roślin i bakterii, a także niektóre komórki w oku, są fotoreceptywne: kiedy pada na nie światło, generują one niewielkie napięcie poprzez działanie różnych form białko zbiorczo zwane opsynami. Czy można wykorzystać opsyny do uściślenia tych metod?

Okazało się, że odpowiedź brzmi: tak. Deisseroth, Boyden i kolega Boydena, Feng Zhang, wybrali opsyny drobnoustrojów, które były szczególnie wydajne w przekształcaniu światła w energię elektryczną, i wskazali geny kodujące te białka. Następnie, w technice, która jest standardem w terapii genowej, wykorzystali wirusa do wstawienia genów wytwarzających opsynę do neuronów. Wewnątrz neuronów geny zaczęły wytwarzać opsyny, w wyniku czego neurony zapalały się pod wpływem światła. Boyden i jego współpracownicy znaleźli precyzyjny, niezawodny sposób na stymulowanie określonych grup neuronów i obserwowanie, co się dzieje po ich zadziałaniu.

Możliwość połączenia określonych grup neuronów ze zmianą zachowania, niezależnie od tego, czy zmiana jest związana z poznaniem, kontrolą motoryczną, emocjami czy percepcją sensoryczną, ma kluczowe znaczenie w leczeniu zaburzeń mózgu. Jeśli można zidentyfikować konkretne neurony, które powodują problem, naukowcy wiedzą, gdzie kierować potencjalne terapie. Ale naukowcy nie są w stanie sondować, monitorować i rejestrować poszczególnych obwodów, które składają się na wspomnienia i myśli, mówi Christian Wentz, były naukowiec w laboratorium Boyden MIT, który współtworzył Cerenova, firmę na wczesnym etapie rozwoju w Cambridge. , Massachusetts. Jak wyjaśnia, nigdy nie było sposobu na ustalenie powiązań między tym, co dzieje się na poziomie komórkowym w mózgu, a tym, jak się zachowujemy i myślimy, i to jest jeden z powodów, dla których istniejące leki lub urządzenia nie radzą sobie dobrze z funkcjami poznawczymi. Dlatego tak trudno jest zrozumieć i leczyć zaburzenia poznawcze i pamięci wyższego rzędu, takie jak choroba Alzheimera.

Pozwalając naukowcom na uruchamianie określonych grup neuronów na zawołanie, wiązki światłowodów i diod LED w kształcie zębów Boydena zapewniają sposób na zbadanie tych połączeń. Po wprowadzeniu genów wytwarzających opsynę do neuronów myszy, aby komórki reagowały na światło, naukowcy wszczepiają urządzenie Boydena do badanej części mózgu gryzonia. Następnie mogą kontrolować, czy neurony na końcu każdego włókna światłowodowego są aktywowane. Celują w różne zestawy neuronów w mózgu myszy i obserwują wszelkie zmiany behawioralne, które powstają, gdy te neurony się uruchamiają.

Boyden używa tej techniki do eksperymentowania na myszach wykazujących objawy lęku, strachu, utraty pamięci, a nawet zespołu stresu pourazowego (PTSD). Ponieważ urządzenie światłowodowe stymuluje różne grupy neuronów, szuka oznak, że objawy myszy ulegają poprawie lub nasileniu. Jeśli objawy nasilają się, gdy konkretna grupa neuronów jest aktywna, znalezienie sposobów na ich powstrzymanie jest obiecującą drogą leczenia; jeśli objawy poprawiają się po stymulacji, może być terapeutyczne ułatwienie ich wyzwalania.

Laboratoria na całym świecie zaczęły wykorzystywać narzędzia optogenetyki do badania praktycznie wszystkich głównych zaburzeń związanych z mózgiem, w tym choroby Alzheimera, Parkinsona, schizofrenii, epilepsji, zaburzeń snu, utraty wzroku i przewlekłego bólu. Rozważmy epilepsję, którą Jeffrey Noebels, neurobiolog z Baylor College of Medicine w Houston, porównuje do znanych problemów komputerowych. Po prostu nie wiemy, dlaczego mózg chorego na padaczkę czasami nie synchronizuje się prawidłowo, co prowadzi do ataku typu „odmowa usługi” i niebieskiego ekranu – mówi. Byliśmy utrudnieni, próbując dowiedzieć się więcej, ponieważ musieliśmy przesłuchiwać mózg w całym regionie naraz, co jest jak próba ustalenia, co jest nie tak w płytce drukowanej, przez rozwalenie całej płytki prądem elektrycznym. Dzięki optogenetyce możemy skupić się na neuronach, które odgrywają kluczową rolę, co bardziej przypomina spojrzenie na poszczególne tranzystory. Leczenie ciężkiej padaczki może obejmować chirurgiczne usunięcie rozległych fragmentów kory mózgowej w celu zapobiegania napadom, mówi Noebels, ale może to prowadzić do upośledzenia funkcji poznawczych i innych problemów. Jeśli uda nam się wskazać neurony, które podżegają motłoch, być może będziemy w stanie wyrzeźbić korę mózgową, aby działała w zdrowszy sposób za pomocą leków lub stymulacji, mówi.

Boyden dostrzega jeszcze większą rolę optogenetyki: nie tylko może pomóc w ujawnieniu ról poszczególnych obwodów mózgu i potencjalnie wskazać sposoby naprawiania nieprawidłowego wyładowania neuronowego, jak sądzi, ale może też pomóc naukowcom określić, w jaki sposób różne obwody pasują do siebie, aby stworzyć w pełni funkcjonujący mózg. Jak tworzy się, gubi lub zmienia pamięć? Jak myśl wyzwala ruch w palcu? Jak interpretujemy obrazy wizualne?

Wiele tysięcy obwodów będzie prawdopodobnie musiało zostać dopasowanych do określonych funkcji, zanim wyłoni się ogólny obraz, a naukowcy będą musieli radykalnie przyspieszyć, jeśli mają nadzieję dopasować większość z nich w ciągu dekady lub dwóch. W tym celu Boyden przewiduje wykorzystanie komputerów do automatyzacji procesu. Na przykład komputer może zbadać obwód, wysyłając światło do określonego miejsca w mózgu zwierzęcia. Aby odczytać, co dzieje się w odpowiedzi, może szukać świecących neuronów lub rejestrować, jak zwierzę się porusza lub jak zmienia się jego tętno. Następnie może szybko i wielokrotnie dostosowywać położenie światła, aby zmaksymalizować tę reakcję.

Badając w ten sposób obwody mózgowe myszy, Boyden ma nadzieję, że ostatecznie zrekonstruuje sieci neuronowe tworzące mózg w sposób, w jaki inżynier elektryk mógłby mierzyć 0 s i jeden s, które są wyjściami chipa elektronicznego w celu uzyskania kodu oprogramowania zaprogramowanego w obwodach chipa. Informacje w mózgu są trudne do zrozumienia, jeśli nie wiesz, jak zostały obliczone, mówi. Chcemy odkryć oryginalny algorytm leżący u podstaw funkcji.

Trzymanie w tajemnicy

Jedną z najpilniejszych i być może najważniejszych korzyści płynących z zastosowania technik Boydena jest prawdopodobnie rozwój leków. Gdybyśmy mogli użyć światłowodów do włączania i wyłączania określonych obwodów mózgu u wybudzonego, zachowującego się zwierzęcia, któremu podano lek, moglibyśmy przetestować, na które obwody wpływa lek i jakie są konsekwencje behawioralne, mówi Boyden. To pozwoliłoby nam szukać leków, które są bardziej specyficzne i skuteczne dla właściwych obwodów, zamiast po prostu kąpać mózg w jakiejś substancji.

Jedno zaskakujące i ważne odkrycie, które wyszło z wczesnych badań Boydena, dotyczyło pewnego rodzaju efektu antystymulacyjnego w obwodach mózgowych. Coś dziwnego dzieje się, gdy grupa neuronów, które mają tendencję do wspólnego odpalania, jest stymulowana przez światło: podczas gdy większość komórek odpala się częściej, około jedna trzecia faktycznie odpala się rzadziej. Efekt okazał się zdumiewająco spójny we wszystkich obszarach kory mózgowej i we wszystkich typach zachowań i funkcji, u wszystkich przetestowanych gatunków zwierząt. Fakt, że znaczny procent neuronów był całkowicie zahamowany, powiedział nam, że należy tutaj wziąć pod uwagę ważną zasadę kontroli neuronalnej, mówi Boyden. Jeśli chcemy, aby obwód mózgu coś zrobił, musimy rozważyć nie tylko to, które neurony wzbudzamy, ale także które neurony wyciszamy dalej. Prawdopodobnie będzie to szczególnie ważne przy opracowywaniu nowych leków. Na przykład lek, który miał na celu złagodzenie objawu poprzez stymulację jednej grupy neuronów, może pogorszyć sytuację poprzez pośrednie wyciszenie innych neuronów. Z drugiej strony wyciszenie niektórych neuronów może być korzystne – na przykład, jeśli powodowały napady padaczkowe poprzez niekontrolowane wyzwalanie.

Techniki optogenetyczne nie tylko mogą ujawnić, które neurony powinno się włączać i wyłączać, ale same mogą stać się przydatne jako leczenie. Na przykład mogą zaoferować ulepszenie w stosunku do wszczepialnych urządzeń, które teraz dostarczają wstrząsy elektryczne w leczeniu choroby Parkinsona i innych zaburzeń. Urządzenia te mają tendencję do aktywowania wszystkich neuronów w pobliżu wszczepionej elektrody, ale wszczepione urządzenie światłowodowe aktywuje tylko te neurony, które zostały zmienione przez opsyny – tylko wadliwe części obwodu kontroli motorycznej lub obwodu związanego z nastrojem – podczas gdy prawidłowo funkcjonujące neurony zostałyby pozostawione same sobie. To oczywiście wymagałoby zastosowania terapii genowej na ludzkich pacjentach, a takie techniki, pomimo lat badań, nadal są eksperymentalne. Ostatecznie jednak, jeśli terapia genowa okaże się bezpieczna, lekarze będą mogli wykorzystać optogenetykę do naprawy wadliwego mózgu, być może poprzez zastosowanie stymulacji optycznej lub elektrycznej w precyzyjnie wybranych miejscach.

Czy opinia publiczna z zadowoleniem przyjmie wszczepialne urządzenia optyczne, które mogą robić takie rzeczy, czy też będą się obawiać, że techniki te mogą zostać użyte do wywołania lub stłumienia określonych myśli, wrażeń, emocji lub zachowań? Ludzie mają już bardzo różne opinie na temat tego, które leki psychiatryczne są tego warte, a które nie, mówi Boyden. Pojawią się również pytania dotyczące tego podejścia, a to nie jest zła rzecz. Zawsze powinien istnieć otwarty dialog między naukowcami, klinicystami, agencjami regulacyjnymi i opinią publiczną na temat zagrożeń i korzyści związanych z nowymi rodzajami terapii.

David H. Freedman jest niezależnym dziennikarzem, który pisał dla atlantycki i New York Times . Jego najnowsza książka, Zło , wyjaśnia, dlaczego eksperci i naukowcy często nie rozumieją prawidłowo.

ukryć