211service.com
Nowy zestaw narzędzi neuronauki
Dzięki wynalezieniu optogenetyki i innych technologii naukowcy mogą po raz pierwszy zbadać źródło emocji, pamięci i świadomości. 17 czerwca 2014
To, co można nazwać „kochaniem się, a nie wojenną” gałęzią neuronauki behawioralnej, zaczęło nabierać kształtu (gdzie indziej?) w Kalifornii kilka lat temu, kiedy naukowcy z laboratorium Davida J. Andersona w Caltech postanowili zająć się biologią agresji. Zainicjowali linię badań, organizując mysią wersję Fight Night: sprowokowali samce myszy do zaplątania się w rywalizujące samce, a następnie, dzięki żmudnej molekularnej pracy detektywistycznej, skupili się na odrobinie komórek w podwzgórzu, które uaktywniły się, gdy myszy zaczęły walczyć.
Podwzgórze to niewielka struktura głęboko w mózgu, która, między innymi, koordynuje bodźce zmysłowe — na przykład pojawienie się rywala — z instynktownymi reakcjami behawioralnymi. W latach dwudziestych Walter Hess z Uniwersytetu w Zurychu (który zdobył Nobla w 1949 roku) wykazał, że jeśli włoży się elektrodę do mózgu kota i pobudzi elektrycznie określone obszary podwzgórza, można zmienić mruczący kot. w futrzaną plamę agresji. Kilka interesujących hipotez próbowało wyjaśnić, jak i dlaczego tak się stało, ale nie było możliwości ich sprawdzenia. Podobnie jak wiele podstawowych pytań w nauce o mózgu, tajemnica agresji nie zniknęła w ciągu ostatniego stulecia — po prostu trafiła w zwykłe empiryczne przeszkody. Mieliśmy dobre pytania, ale nie mieliśmy technologii, aby uzyskać odpowiedzi.
Ta historia była częścią naszego wydania z lipca 2014 r.
- Zobacz resztę numeru
- Subskrybuj
W 2010 roku laboratorium Andersona w Caltech zaczęło odrywać podstawowe mechanizmy i obwody neuronalne agresji u ich zadziornych myszy. Uzbrojeni w szereg nowych technologii, które pozwoliły im skoncentrować się na pojedynczych skupiskach komórek w obszarach mózgu, natknęli się na zaskakujące odkrycie anatomiczne: maleńka część podwzgórza, która wydawała się skorelowana z agresywnym zachowaniem, została spleciona z częścią związaną z impulsem kopulować. To małe księstwo komórek — nazwa techniczna to brzuszno-przyśrodkowy podwzgórze — okazało się zbiorem około 5000 neuronów, z których wszystkie łączyły się razem, niektóre z nich pozornie związane z kopulacją, a inne z walką.
Nie ma czegoś takiego jak generyczny neuron, mówi Anderson, który szacuje, że w mózgu może istnieć do 10 000 różnych klas neuronów. Mówi, że nawet maleńkie obszary mózgu zawierają mieszaninę, a te neurony często wpływają na zachowanie w różnych, przeciwnych kierunkach. W przypadku podwzgórza niektóre neurony wydawały się być aktywne podczas agresywnych zachowań, niektóre podczas zachowań godowych, a niewielki podzbiór — około 20 procent — zarówno podczas walki, jak i godów.
To było prowokacyjne odkrycie, ale także relikt neurobiologii w starym stylu. Bycie aktywnym to nie to samo, co powodowanie zachowania; to była tylko korelacja. Skąd naukowcy wiedzieli na pewno, co powoduje zachowanie? Czy mogą sprowokować mysz do walki, po prostu łaskocząc kilka komórek w podwzgórzu?
Dziesięć lat temu byłoby to technologicznie niemożliwe. Ale w ciągu ostatnich 10 lat neuronauka została przekształcona przez niezwykłą nową technologię zwaną optogenetyką, wynalezioną przez naukowców z Uniwersytetu Stanforda i po raz pierwszy opisaną w 2005 roku. Naukowcy z Caltech byli w stanie wstawić genetycznie zmodyfikowany gen światłoczuły w szczególności do określonych komórek lokalizacje w mózgu żywego, oddychającego, zadziornego, a od czasu do czasu pieszczącego samca myszy. Używając cienkiej jak włos nici światłowodowej wprowadzonej do tego żywego mózgu, mogli następnie włączać i wyłączać neurony w podwzgórzu za pomocą wybuchu światła.
Optogenetyka : Przełączniki światła dla neuronów
Anderson i jego koledzy wykorzystali optogenetykę do nakręcenia filmu dramatyzującego napięcia miłości i nienawiści w głębi gryzoni. Pokazuje samca myszy robi to, co przychodzi naturalnie, kojarząc się z samicą, dopóki naukowcy z Caltech nie zapalą światła, w którym to momencie mysi lothario wpada we wściekłość. Gdy światło jest włączone, nawet łagodnie usposobiony samiec myszy może zostać nakłoniony do zaatakowania dowolnego celu znajdującego się w pobliżu — jego partnera rozrodczego, innego samca myszy, wykastrowanego samca (zwykle nie postrzeganego jako zagrożenie) lub, co jest najbardziej nieprawdopodobne, do klatki wpadła gumowa rękawiczka.
Aktywacja tych neuronów technikami optogenetycznymi jest wystarczająca, aby aktywować agresywne zachowanie nie tylko w stosunku do odpowiednich celów, takich jak inne samce myszy, ale także w stosunku do niewłaściwych celów, takich jak kobiety, a nawet przedmioty nieożywione, mówi Anderson. I odwrotnie, naukowcy mogą hamować te neurony w środku walki, wyłączając światło, mówi: Możesz zatrzymać walkę w martwym punkcie.
Co więcej, badania sugerują, że kochanie się ma pierwszeństwo przed prowadzeniem wojny w rachunku zachowań: im mysz była bliżej dopełnienia aktu rozrodczego, tym bardziej była odporna (lub nieświadoma) na impulsy światła, które normalnie wyzwalały agresję. W artykule opublikowanym w Psychiatria Biologiczna pt. Optogenetics, Sex and Violence in the Brain: Implications for Psychiatry, Anderson zauważył: Być może imperatyw „kochania się, a nie wojny” jest wpisany w nasz układ nerwowy w większym stopniu, niż nam się wydaje. Możemy być zarówno kochankami, jak i wojownikami, z najmniejszymi neurologicznymi dystansami dzielącymi oba impulsy.
Optogenetyka i inne nowe techniki oznaczają, że naukowcy mogą zacząć precyzyjnie określać funkcję tysięcy różnych typów neuronów wśród około 86 miliardów ludzkiego mózgu.
Nikt nie sugeruje, że jesteśmy bliscy wdrożenia wyłączników neuronowych w celu ograniczenia agresywnego zachowania. Ale, jak wskazuje Anderson, badania podkreślają większy punkt dotyczący tego, jak nowa technologia może na nowo odkryć sposób, w jaki uprawia się naukę o mózgu. Mówi, że zdolność optogenetyki do przekształcenia w dużej mierze współzależnej dziedziny nauki w taką, która testuje przyczynowość, była transformująca.
Radykalne w tej technice jest to, że pozwala naukowcom zakłócać działanie komórki lub sieci komórek z wyjątkową precyzją, co jest kluczem do naszkicowania obwodów wpływających na różne typy zachowań. Podczas gdy starsze technologie, takie jak obrazowanie, pozwalały naukowcom obserwować mózg w akcji, optogenetyka umożliwia im wpływanie na to działanie, majstrowanie przy określonych częściach mózgu w określonym czasie, aby zobaczyć, co się dzieje.
A optogenetyka to tylko jedno z zestawu rewolucyjnych nowych narzędzi, które prawdopodobnie odegrają wiodącą rolę w tym, co wygląda na okres rozkwitu neuronauki. Główne inicjatywy zarówno w Stanach Zjednoczonych, jak iw Europie mają na celu zrozumienie, w jaki sposób ludzki mózg – ten splątany trzykilogramowy twaróg neuronów, tkanki łącznej i obwodów – daje początek wszystkim, od abstrakcyjnej myśli, przez podstawowe przetwarzanie sensoryczne, po emocje, takie jak agresja. Świadomość, wolna wola, pamięć, uczenie się — wszystko to jest teraz na stole, ponieważ naukowcy używają tych narzędzi do badania, w jaki sposób mózg osiąga swoje pozornie tajemnicze efekty (patrz Poszukiwanie neuronu wolnej woli).
Znajomości
Ponad 2000 lat temu Hipokrates zauważył, że jeśli chcesz zrozumieć umysł, musisz zacząć od zbadania mózgu. W ciągu ostatnich dwóch tysiącleci nie wydarzyło się nic, co mogłoby zmienić ten imperatyw — z wyjątkiem narzędzi, które neuronauka wnosi do tego zadania.
Historia neuronauki, podobnie jak historia samej nauki, to często opowieść o nowych urządzeniach i nowych technologiach. Pierwsza przypadkowa elektroda Luigiego Galvaniego, która prowokowała drganie mięśnia żaby, była inspiracją dla każdej kolejnej sondy elektrycznej, od kociego sondy Waltera Hessa po obecne terapeutyczne zastosowanie głębokiej stymulacji mózgu w leczeniu choroby Parkinsona (około 30 000 osób na całym świecie ma teraz wszczepione elektrody ich mózgi w leczeniu tego stanu). Zacisk plastra pozwolił neuroanatomom zobaczyć przypływ i odpływ jonów w neuronie przygotowującym się do odpalenia. Paul Lauterbur, skupiając silne pole magnetyczne na pojedynczym nieszczęsnym małżu w swoim laboratorium na Uniwersytecie Stanowym Nowego Jorku w Stony Brook na początku lat 70., niewiele zdawał sobie sprawę, że on i jego koledzy kładli podwaliny pod rezonans magnetyczny. urządzenia do obrazowania (MRI), które pomogły ujawnić wewnętrzny krajobraz i aktywność żywego mózgu.
Rosnące neurony : Badanie, co idzie nie tak
Ale to postępy w genetyce i narzędziach genomicznych w ciągu ostatnich kilku lat naprawdę zrewolucjonizowały neuronaukę. Te postępy umożliwiły manipulacje genetyczne w sercu optogenetyki. Jeszcze nowsze metody edycji genomu można wykorzystać do precyzyjnej zmiany genetyki żywych komórek w laboratorium. Wraz z optogenetyką, narzędzia te oznaczają, że naukowcy mogą zacząć precyzyjnie określać funkcję tysięcy różnych typów komórek nerwowych wśród około 86 miliardów ludzkiego mózgu.
Nic nie świadczy o wartości nowej technologii bardziej niż liczba naukowców, którzy szybko ją adoptują i wykorzystują do zdobywania nowych terytoriów naukowych. Jak ujął to Edward Boyden, naukowiec z MIT, który pomagał w rozwoju optogenetyki, często, gdy pojawia się nowa technologia, następuje niewielki zagarnianie ziemi.
I nawet gdy naukowcy wykorzystują te możliwości w genomice i optogenetyce, na scenie pojawiają się jeszcze inne postępy. Nowa terapia chemiczna umożliwia bezpośrednią obserwację włókien nerwowych w mózgach ssaków; robotyczne mikroelektrody mogą podsłuchiwać (i zakłócać) pojedyncze komórki żywych zwierząt; a bardziej wyrafinowane techniki obrazowania pozwalają naukowcom dopasować komórki nerwowe i włókna w skrawkach mózgu, aby stworzyć trójwymiarową mapę połączeń. Wykorzystując te narzędzia razem, aby lepiej zrozumieć aktywność mózgu, naukowcy mają nadzieję uchwycić największą grę poznawczą: pamięć, podejmowanie decyzji, świadomość, choroby psychiczne, takie jak lęk i depresja, a także seks i przemoc.
Naukowcy spekulowali, że gdyby można było przemycić gen światłoczułego białka do neuronu, a następnie pobudzić komórkę światłem, można by go wywołać. Możesz włączać i wyłączać określone neurony.
W styczniu 2013 r. Komisja Europejska zainwestowała miliard euro w uruchomienie projektu Human Brain Project, 10-letniej inicjatywy mapowania wszystkich połączeń w mózgu. Kilka miesięcy później, w kwietniu 2013 r., administracja Obamy ogłosiła inicjatywę o nazwie Brain Research through Advanced Innovative Neurotechnologies (BRAIN), która ma przelać w teren nawet miliard dolarów, przy czym większość wczesnych środków finansowych zostanie przeznaczonych na rozwój technologii. Kolejnym projektem jest Human Connectome Project, którego celem jest wykorzystanie obrazów z mikroskopu elektronowego kolejnych skrawków tkanki mózgowej do mapowania komórek nerwowych i ich połączeń w trzech wymiarach. W Instytucie Medycznym im. Howarda Hughesa w Wirginii oraz w Instytucie Nauki o Mózgu im. Allena w Seattle rozpoczynają się uzupełniające inicjatywy dotyczące łączności i mapowania. Wszystkie są częścią dużego globalnego wysiłku, zarówno publicznego, jak i prywatnego, mającego na celu zbudowanie kompleksowego obrazu ludzkiego mózgu, od poziomu genów i komórek po połączenia i obwody.
W grudniu ubiegłego roku, jako pierwszy krok w Inicjatywie BRAIN, Narodowe Instytuty Zdrowia wystąpiły z propozycjami projektów o wartości 40 milionów dolarów dotyczących rozwoju technologii w neuronauce. Dlaczego Inicjatywa BRAIN kładzie tak duży nacisk na technologię? mówi Cornelia Bargmann, neurobiolog z Rockefeller University, która współkieruje procesem planowania projektu. Prawdziwym celem jest zrozumienie, jak mózg działa na wielu poziomach, w przestrzeni i czasie, w wielu różnych neuronach jednocześnie. A to, co uniemożliwiło nam zrozumienie ograniczeń technologii.
Podsłuchiwanie
Optogenetyka miała swoje początki w 2000 roku, w nocnej pogawędce na Uniwersytecie Stanforda. Tam neuronaukowcy Karl Deisseroth i Edward Boyden zaczęli wymieniać w kółko pomysły na temat sposobów identyfikowania, a ostatecznie manipulowania aktywnością określonych obwodów mózgowych. Deisseroth, który uzyskał doktorat z neuronauki na Stanford, pragnął zrozumieć (i któregoś dnia wyleczyć) dolegliwości psychiczne, które dręczyły ludzkość od czasów Hipokratesa, w szczególności lęki i depresję (patrz „Lśniące światło na szaleństwie”). Boyden, który kończył pracę magisterską z zakresu funkcji mózgu, miał wszystkożerną ciekawość neurotechnologii. Początkowo marzyli o rozmieszczeniu maleńkich kulek magnetycznych jako sposobu na manipulowanie funkcjami mózgu u nienaruszonych, żywych zwierząt. Ale w pewnym momencie w ciągu następnych pięciu lat zgasł inny rodzaj żarówki.
Od lat 70. mikrobiolodzy badali klasę światłoczułych cząsteczek znanych jako rodopsyny, które zostały zidentyfikowane w prostych organizmach, takich jak bakterie, grzyby i glony. Białka te działają jak strażnicy wzdłuż ściany komórkowej; kiedy wykryją określoną długość fali światła, albo wpuszczają jony do komórki, albo odwrotnie, wypuszczają z niej jony. Ten przypływ i odpływ jonów odzwierciedla proces, w którym neuron odpala: ładunek elektryczny w komórce nerwowej narasta, aż komórka wyzwoli skok aktywności elektrycznej przepływający wzdłuż jej włókna (lub aksonu) do synaps, gdzie wiadomość jest przekazywana do następnej komórki na ścieżce. Naukowcy spekulowali, że gdyby można było przemycić gen jednego z tych światłoczułych białek do neuronu, a następnie pobudzić komórkę światłem, można by ją wywołać. Mówiąc najprościej, możesz włączyć lub wyłączyć określone neurony u przytomnego zwierzęcia za pomocą wybuchu światła.
W 2004 roku Deisseroth z powodzeniem wstawił gen światłoczułej cząsteczki z alg do neuronów ssaków w naczyniu. Deisseroth i Boyden wykazali, że niebieskie światło może pobudzić neurony do zapłonu. Mniej więcej w tym samym czasie do laboratorium Deisserotha dołączył doktorant imieniem Feng Zhang. Zhang, który jako uczeń szkoły średniej w Des Moines w stanie Iowa zdobył przedwcześnie ekspertyzę w technikach zarówno biologii molekularnej, jak i terapii genowej, wykazał, że gen dla pożądanego białka można wprowadzić do neuronów za pomocą genetycznie zmodyfikowanych wirusów. Ponownie wykorzystując impulsy niebieskiego światła, zespół ze Stanforda wykazał, że może włączać i wyłączać impulsy elektryczne w zmodyfikowanych przez wirusa komórkach nerwowych ssaków. W przełomowej gazecie, która ukazała się w Neuronauka przyrody w 2005 roku (po, jak mówi Boyden, został odrzucony przez Nauka ), Deisseroth, Zhang i Boyden opisali tę technikę. (Nikt nie nazwałby tego optogenetyką przez kolejny rok.)
Neuronaukowcy natychmiast wykorzystali moc tej techniki, wprowadzając do żywych zwierząt geny wrażliwe na światło. Naukowcy z własnego laboratorium Deisserotha wykorzystali go do zidentyfikowania nowych ścieżek kontrolujących lęk u myszy, a zarówno zespół Deisserotha, jak i jego współpracownicy z Mount Sinai Hospital w Nowym Jorku używali go do włączania i wyłączania depresji u szczurów i myszy. A laboratorium Susumu Tonegawy w MIT ostatnio wykorzystało optogenetykę do tworzenia fałszywych wspomnień u zwierząt laboratoryjnych.
Kiedy odwiedziłem biuro Boydena w MIT Media Lab w grudniu ubiegłego roku, naukowiec przywołał swoje ulubione ostatnie artykuły dotyczące optogenetyki. W pośpiechu słów tak szybkich, jak naciśnięcia klawiszy, Boyden opisał już opracowywane technologie drugiej generacji. Jeden polega na podsłuchiwaniu pojedynczych komórek nerwowych u znieczulonych i przytomnych zwierząt, aby zobaczyć rzeczy toczące się pod morzem aktywności neuronu, gdy zwierzę jest nieprzytomne. Boyden powiedział: To dosłownie rzuca światło na to, co to znaczy mieć myśli, świadomość i uczucia.
Aby scharakteryzować ostatnie wyniki, naukowcy często używają słów takich jak zaskakujący i nieoczekiwany, odzwierciedlając wpływ optogenetyki na zrozumienie chorób psychicznych.
Grupa Boydena również właśnie wysłała artykuł donoszący o nowym zwrocie w optogenetyce: oddzielne, niezależne ścieżki neuronowe mogą być zaburzane jednocześnie z czerwonymi i niebieskimi falami światła. Technika ta może pokazać, w jaki sposób różne obwody oddziałują na siebie i wpływają na siebie nawzajem. Jego grupa pracuje również nad niesamowicie gęstymi sondami rejestrującymi i mikroskopami, które dążą do uchwycenia aktywności całego mózgu. Ambicje nie są skromne. Czy potrafisz nagrać wszystkie komórki w mózgu, mówi, aby móc obserwować pojawiające się myśli, decyzje lub inne złożone zjawiska, gdy przechodzisz od wrażenia do emocji, decyzji do miejsca działania?
Mapowanie mózgu : Wyznaczanie autostrad informacyjnych
Kilka przecznic dalej Feng Zhang, który jest obecnie adiunktem na MIT i wykładowcą w Broad Institute, wymienił odwieczne pytania z dziedziny neuronauki, które mogą być teraz atakowane przez nowe technologie. Czy możesz zaktualizować pamięć i zwiększyć jej pojemność? on zapytał. Jak genetycznie kodowane są obwody neuronowe? Jak możesz przeprogramować instrukcje genetyczne? Jak naprawić mutacje genetyczne, które powodują błędne połączenia lub inne awarie systemu nerwowego? Jak odmłodzić stary mózg?
Oprócz pomocy w wynalezieniu optogenetyki, Zhang odegrał kluczową rolę w opracowaniu techniki edycji genów zwanej CRISPR (patrz 10 przełomowych technologii: edycja genomu, maj/czerwiec). Technologia pozwala naukowcom na celowanie w gen – na przykład w neuronach – i albo go usuwać, albo modyfikować. Jeśli zostanie zmodyfikowany tak, aby zawierał mutację, o której wiadomo lub podejrzewa się, że powoduje zaburzenia mózgu, naukowcy mogą badać progresję tych zaburzeń u zwierząt laboratoryjnych. Alternatywnie, naukowcy mogą wykorzystać CRISPR w laboratorium do zmiany komórek macierzystych, które następnie mogą zostać wyhodowane w neurony, aby zobaczyć efekty.
Przezroczystość
Po powrocie do Stanford, kiedy nie przyjmuje w klinice pacjentów z zaburzeniami ze spektrum autyzmu lub depresją, Deisseroth nadal wynajduje narzędzia, które on i inni mogą wykorzystać do badania tych schorzeń. Zeszłego lata jego laboratorium poinformowało o nowym sposobie wizualizacji kabli włókien nerwowych, znanych jako istota biała, które łączą odległe obszary mózgu. Technika, zwana Clarity, najpierw unieruchamia biocząsteczki, takie jak białko i DNA, w plastikowej siatce, która zachowuje fizyczną integralność mózgu po śmierci. Następnie naukowcy przepuszczają przez siatkę pewien rodzaj detergentu, aby rozpuścić wszystkie tłuszcze w tkance mózgowej, które normalnie blokują światło. Mózg staje się przezroczysty, nagle odsłaniając cały trójwymiarowy wzór połączeń.
Nowe narzędzia razem przekształcają wiele konwencjonalnych poglądów w neuronauce. Na przykład, jak zauważył Deisseroth w artykule przeglądowym opublikowanym na początku tego roku w: Natura optogenetyka zakwestionowała niektóre idee leżące u podstaw głębokiej stymulacji mózgu, która jest szeroko stosowana w leczeniu wszystkiego, od drżenia i epilepsji po lęki i zaburzenia obsesyjno-kompulsywne. Nikt nie wie, dlaczego to działa, ale założenie operacyjne było takie, że jego efekty terapeutyczne wywodzą się z elektrycznej stymulacji bardzo specyficznych obszarów mózgu; neurochirurdzy dokładają niezwykłego wysiłku, aby umieścić elektrody z najwyższą precyzją.
Jednak w 2009 r. Deisseroth i współpracownicy wykazali, że konkretna stymulacja istoty białej, kabli nerwowych, które akurat znajdują się w pobliżu elektrod, spowodowała najsilniejszą kliniczną poprawę objawów choroby Parkinsona. Innymi słowy, nie chodziło o sąsiedztwo mózgu, ale o to, które drogi nerwowe akurat przebiegały w pobliżu. Naukowcy często używają słów takich jak zaskakujące i nieoczekiwane, aby scharakteryzować takie ostatnie wyniki, odzwierciedlając wpływ, jaki optogenetyka wywarła na rozumienie chorób psychicznych.
W tym samym duchu Anderson z Caltech wskazuje, że publiczne i naukowe zauroczenie badaniami funkcjonalnymi MRI w ciągu ostatnich dwóch dekad stworzyło wrażenie, że pewne obszary mózgu działają jako ośrodki aktywności neuronalnej – że ciało migdałowate jest ośrodkiem strachu, na przykład lub podwzgórze jest centrum agresji. Ale on porównuje fMRI do patrzenia w dół na nocny krajobraz z samolotu na wysokości 30 000 stóp i próbowania dowiedzieć się, co dzieje się w jednym mieście. Natomiast optogenetyka dostarczyła znacznie bardziej szczegółowego obrazu tego niewielkiego podziału komórek w podwzgórzu, a tym samym znacznie bardziej złożonego i zniuansowanego obrazu agresji. Aktywacja określonych neuronów w tym małym miasteczku może nakłonić organizm do wojny, ale aktywacja neuronów obok może popchnąć go do miłości.
Nowe techniki dadzą naukowcom pierwsze przebłyski ludzkiego poznania w działaniu — spojrzenie na to, jak myśli, uczucia, przeczucia i dysfunkcyjna aktywność umysłowa powstają z obwodów neuronalnych i z aktywności określonych typów komórek. Naukowcy dopiero zaczynają zdobywać te spostrzeżenia, ale biorąc pod uwagę niedawne tempo rozwoju technologii, obraz może wyłonić się wcześniej, niż ktokolwiek marzył, gdy światło optogenetyki po raz pierwszy mignęło kilka lat temu.
Stephen S. Hall jest pisarzem naukowym i autorem z Nowego Jorku. Jego ostatnia funkcja dla Przegląd technologii MIT naprawiał złe wspomnienia.