Włącznik światła dla mózgu

Naukowcy mogą teraz włączać i wyłączać określone części mózgu za pomocą prostego błysku światła. Nowe narzędzie molekularne, opracowane przez naukowców z MIT i Stanford, umożliwia bezprecedensową kontrolę nad mózgiem i może prowadzić do skuteczniejszych metod leczenia padaczki, choroby Parkinsona i innych chorób. Może również pomóc neurologom przełamać język mózgu: informację zakodowaną w elektrycznej aktywności neuronów, która tworzy nasze wspomnienia i kieruje każdym naszym ruchem.

Trening robaka: Wyłącznik aktywowany światłem może kontrolować ruch mikroskopijnych robaków. Naukowcy zaprojektowali robaki, aby wyrazić przełącznik w neuronach ruchowych, które kontrolują zdolność organizmów do pływania. Bez światła robaki pływają normalnie. Ale kiedy są wystawione na działanie żółtego światła, na co wskazuje żółte kółko, ich neurony ruchowe nie mogą już funkcjonować, paraliżując robaki.

Myślę, że pod wieloma względami zrewolucjonizuje to tę dziedzinę, mówi Michael Hausser, neurobiolog z University College London, który napisał komentarz towarzyszący badaniom, opublikowany dzisiaj w Natura i ostatni miesiąc w Publiczna Biblioteka Nauki I . Mógłby zastąpić elektrodę stymulującą, która od 100 lat jest głównym narzędziem neurofizjologów. Może również usprawnić zastosowania kliniczne, w których wszczepione elektrody okazały się przydatne poprzez ukierunkowanie wzbudzania lub hamowania na określone komórki.

Neurony kodują informacje za pomocą serii impulsów elektrycznych przesyłanych między komórkami. Neuronaukowcy tradycyjnie badali funkcję komórek mózgowych, wysyłając wstrząsy energii elektrycznej dostarczanej przez elektrodę, która pobudza aktywność neuronów. Jednak trudno jest skierować tę aktywność na określony typ komórek i nie ma odpowiedniego leczenia, które wyłączałoby komórki.

W zeszłym roku Karl Deisseroth, bioinżynier i lekarz ze Stanforda, i Ed Boyden, bioinżynier z MIT, dokooptowali światłoczuły kanał z meduz, aby stworzyć genetyczny przełącznik. Kanał znajduje się na błonie komórkowej i otwiera się pod wpływem światła, umożliwiając przepływ dodatniego ładunku do komórki. Oświetlanie neuronów genetycznie zmodyfikowanych do przenoszenia kanału wyzwala aktywność elektryczną w komórce, która następnie rozprzestrzenia się na następny neuron w obwodzie. (Naukowcy używają światłowodów, aby skierować światło do mózgu.)

Multimedia

• Obejrzyj film przedstawiający efekt świateł na zmodyfikowanych robakach.

Deisseroth i Boyden stworzyli teraz niezależnie wyłącznik, który działa na zasadzie podobnego mechanizmu. Tym razem naukowcy wykorzystali gen, który koduje pompę białkową: po uderzeniu żółtym światłem pompuje on ładunek ujemny do komórki, blokując pobudzanie neuronu. Oba przełączniki mogą być używane w tej samej komórce, skutecznie dając neurologom przełącznik światła, który może być używany do włączania i wyłączania aktywności neuronowej.

Ta nowo odkryta zdolność do precyzyjnego kontrolowania neuronów może w końcu przynieść odpowiedzi na główne pytania dotyczące mózgu. Może pomóc naukowcom znaleźć określone komórki lub wzorce aktywności nerwowej, które są zaangażowane w procesy poznawcze, takie jak uwaga, lub w określonych chorobach, takich jak padaczka.

Zarówno epilepsję, jak i chorobę Parkinsona można leczyć za pomocą elektrod wszczepionych do mózgu. Ale energia elektryczna dostarczana przez elektrodę stymuluje wszystkie pobliskie komórki, a nie tylko te chore, zwiększając skutki uboczne i potencjalnie zmniejszając skuteczność leczenia. To źródło niesamowitej frustracji, mówi Deisseroth, praktykujący psychiatra, który testuje stymulację elektryczną jako lek na ciężką depresję. Wiemy, że możemy uzyskać korzyści z leczenia, umieszczając elektrody w mózgu, ale tak naprawdę nie wiemy, jaki jest typ komórki docelowej.

Deisseroth i Boyden używają teraz włączników światła do badania zwierzęcych modeli tych chorób, aby dokładnie określić, które komórki należy włączyć lub wyłączyć. Ich odkrycia można by wykorzystać do opracowania nowych leków ukierunkowanych tylko na te komórki lub, pewnego dnia, do zastąpienia elektrod bardziej precyzyjnymi implantami aktywowanymi światłem.

Przełącznik może również pomóc w rozszyfrowaniu języka mózgu, pomagając neurologom określić, w jaki sposób różne wzorce aktywności neuronalnej powodują powstawanie złożonych myśli i działań. Na przykład ostatnie badania sugerują, że rytmiczne wzorce elektryczne w naszym mózgu są ważne dla naszej zdolności do skupienia uwagi. Naukowcy mogliby użyć przełącznika, aby zakłócić te wzorce u zwierząt i sprawdzić, czy wymazuje to ich zdolność do skupienia uwagi. Mogą też spróbować wywołać te wzorce i sprawdzić, czy to poprawia koncentrację zwierząt. To było marzenie neurobiologów od dawna, mówi Hausser. Umiejętność manipulowania czasoprzestrzennym wzorcem aktywności w sieci i znajdowania kodu powiązanego z określonym rodzajem zachowania.

Ponadto naukowcy mogą manipulować określonymi jednostkami kodu neuronowego – impulsami lub skokami aktywności elektrycznej, które są przesyłane między komórkami. Pokazaliśmy, że możemy przesuwać kolce, blokować je, opóźniać, mówi Boyden. Możemy naprawdę zmienić kodowanie neuronowe w milisekundowej skali czasu. Powinno to pozwolić naukowcom określić, który aspekt kodu – czas skoków lub tempo skoków – koduje informacje w mózgu, debata, która trwa od dziesięcioleci.

ukryć