211service.com
Dekódování mozku světlem
Spínače molekulárního světla dokážou přesně odhalit, které neurony se podílejí na vytváření paměti, což vědcům umožňuje spustit tuto vzpomínku pouze pomocí světla. Nález, prezentovaný na Společnost pro neurovědy konference v Chicagu tento týden, je jen jedním příkladem toho, jak nová technologie zvaná optogenetika umožňuje vědcům řešit hlavní nezodpovězené otázky o mozku, včetně role specifických oblastí mozku při vytváření paměti, procesu závislosti a přechodu. ze spánku do bdění.
Lehká úleva: Vědci používají kabely z optických vláken k ovládání nervové aktivity u myší díky světelným spínačům, které byly geneticky upraveny do specifických neuronů. Technologie, nazývaná optogenetika, může být použita k propojení specifických nervových okruhů s různým chováním a nemocemi.
Technologie vyvinutá před pouhými čtyřmi lety Karla Deisserotha , lékař a bioinženýr ze Stanfordu, a Ed Boyden , nyní bioinženýr na MIT, již využívají stovky laboratoří po celém světě. Díky molekulárnímu šťouchání a novým zařízením s optickými vlákny, které dodávají světlo hluboko do mozku prostřednictvím implantátu, mohou vědci pomocí optogenetiky studovat vliv nervové stimulace na různé chování u živých zvířat.
Aby neurony byly citlivé na světlo, vědci je geneticky upravili tak, aby nesly protein upravený ze zelených řas. Když je modifikovaný neuron vystaven světlu prostřednictvím implantátu z optických vláken, protein spustí elektrickou aktivitu v buňce, která se šíří do dalšího neuronu v okruhu. Tato technologie umožňuje vědcům řídit nervovou aktivitu mnohem přesněji než předchozí metody, které obecně zahrnovaly dodávání elektrického proudu elektrodou.
Michael Hausser tým z University College London pomocí optogenetiky zkoumá, jak se vzpomínky ukládají v mozcích myší. Podle základního modelu utváření paměti, učení se nové asociaci – jako že konkrétní zvuk předchází elektrický šok – aktivuje podskupinu neuronů v části mozku zvané hippocampus. Předpokládá se, že vyvolání paměti může být spuštěno aktivací pouze podmnožiny buněk v této síti, říká Hausser. Ale neexistuje žádný jasný, přímý experimentální důkaz pro žádný z kroků v procesu.
Hausser a jeho spolupracovníci geneticky upravili světlocitlivý protein tak, aby byl exprimován pouze v neuronech v hipokampu, které byly aktivovány během vytváření paměti. Dále naučili myši bát se určitého zvuku tím, že ho spárovali s elektrickým šokem. Slyšení zvuku pak způsobilo, že zvířata ztuhla strachem - a spustila produkci proteinu v aktivovaných mozkových buňkách.
Následující den výzkumníci posvítili modrým světlem na hippocampy zvířat. To spustilo aktivitu pouze v podskupině buněk, které se spustily během formování paměti den předtím, což způsobilo, že zvíře ztuhlo strachem v reakci na světlo, spíše než na zvuk. Vědci také označili tyto buňky fluorescenčním markerem, což jim umožnilo spočítat počet buněk zapojených do vytváření paměti. Pozoruhodně malý počet neuronů u těchto zvířat [stačí] k vyvolání paměti, řádově 100 až 200 buněk, říká Hausser.
Kromě toho, že osvětlují nejzákladnější aspekty mozku, vědci využívají technologii k lepšímu pochopení konkrétních nemocí, jako je deprese, Parkinsonova choroba a závislost, v naději na zlepšení léčby. Například Parkinsonovu nemoc lze léčit pomocí hluboké mozkové stimulace, při které chirurgicky implantovaná elektroda dodává pulsy do specifické struktury hluboko v mozku. Postup je však invazivní a nese riziko vedlejších účinků, jako je deprese a kognitivní dysfunkce. Začátkem tohoto roku zveřejnil Deisserothův tým podrobnosti o výzkumu pomocí světelných spínačů ke studiu mozkových okruhů zapojených do Parkinsonovy choroby. Zjistili, že mohou zmírnit motorické deficity u zvířat s příznaky podobnými Parkinsonově nemoci aktivací nervových cílů mnohem blíže k povrchu mozku.
Zjištění zvyšují možnost použití neinvazivních metod pro stimulaci mozku k léčbě pacientů s Parkinsonovou chorobou, kterou nyní Deisseroth a spolupracovníci zkoumají. Transkraniální magnetická stimulace (TMS), způsob, jak aktivovat části mozku pomocí magnetu umístěného na pokožce hlavy, již byla schválena Food and Drug Administration k léčbě deprese. Ale studie využívající TMS k léčbě Parkinsonovy choroby přinesly smíšené výsledky, pravděpodobně proto, že lidé šťouchali do různých částí mozku, aniž by se řídili tímto druhem znalostí, říká Deisseroth. V nové studii vědci nejprve použijí sofistikované metody zobrazování mozku, aby se u pacientů s Parkinsonovou nemocí pokusili identifikovat lidský korelát místa identifikovaného ve studiích na zvířatech – přesná oblast se bude pravděpodobně lišit od člověka k člověku – a poté specificky zacílí stimulaci. do toho regionu.
Vědci také používají optogenetiku ke studiu deprese, další nemoci, kterou lze léčit elektrickou stimulací. Doufají, že se jim podaří dráždit mozkové oblasti odpovědné za různé symptomy spojené s depresí, jako je únava, beznaděj a nedostatek potěšení z každodenních činností.
Výzkumníci napodobují klinickou depresi u myší tím, že je vystaví několikadennímu extrémnímu sociálnímu stresu. Po takovém stresu se tato normálně sociální zvířata po zbytek života zdrží sociální interakce. Stejně jako klinická deprese u lidí vytváří toto poškození abnormální vzorce neurální aktivity v části mozku zvané prefrontální kůra a lze ji zmírnit antidepresivy.
Herbert Covington, výzkumný pracovník v Eric Nestler Laboratoř na Mount Sinai School of Medicine v New Yorku vytvořila neurony v prefrontálním kortexu stresovaných myší citlivých na světlo. Poté stimuloval neurony zvířat pomocí světla dodávaného ve vzoru podobném tomu, který byl pozorován u zdravých myší zkoumajících nové prostředí. Podobně jako antidepresiva přiměla léčba světlem dříve bojácná zvířata normálně se stýkat s jinými myšmi.
Deprese je složitá směs chování, říká Covington. Stimulace prefrontálního kortexu může obnovit sociální chování. Dále se podíváme na to, zda může obnovit aktivitu – zda se myši rozhodnou dělat věci, které považují za obohacující, což je často problém u deprese. Zjištění by nakonec mohla výzkumníkům umožnit vyvinout léčbu zaměřenou na specifické aspekty onemocnění.
Zatím není jasné, zda se optogenetická technologie stane samotnou léčbou, nebo zda její hlavní dopad vrhne světlo na onemocnění. Dvě skupiny se již zaměřují na potenciální léčbu: Ed Boyden z MIT založil startup, který využívá optogenetiku k obnovení zraku lidem s poruchami zraku tím, že poškozené buňky sítnice jsou citlivé na světlo, a startup vznikl z Case Western Reserve University v Clevelandu, OH, plánuje komercializaci technologie k obnovení kontroly močového měchýře u paralyzovaných lidí.