Smegenų kontrolė

MIT Ed Boydeno laboratorijoje esanti įranga yra ne kas kita, jei ne eklektiška. Yra genų analizės ir surinkimo mašinos; 3D spausdintuvas; lazerinis pjaustytuvas, galintis iškirpti daiktą iš metalo bloko; Bakterijų, augalų ir grybų auginimo ir tyrimo aparatai; aparatas itin ploniems smegenų griežiniams ruošti; Elektroninių grandinių analizės įrankiai; didelės raiškos vaizdo gavimo įrenginių serija. Tačiau Boydenas labiausiai nori parodyti mažą, bjaurų daiktą, kuris atrodo kaip plaukuotas plastikinis dantis. Iš tikrųjų tai yra maždaug tuzino trumpų skirtingo ilgio optinių skaidulų korpusas, kurių kiekvienas viename gale pritvirtintas prie šviesos diodo. Kai dantis implantuojamas, tarkime, pelės smegenyse, kiekvienas iš šių šviesos diodų gali perduoti šviesą į kitą vietą. Naudodamas įrenginį, Boydenas gali pradėti kontroliuoti pelės elgesio aspektus.

Matyti šviesas: Savo MIT laboratorijoje Edas Boydenas tiria, kaip šviesai jautrūs baltymai gali būti naudojami smegenų darbui paveikti.

Pelės smegenys ar bet kurios kitos smegenys paprastai nereaguotų į įterptas šviesas. Tačiau Boydenas, kurio paskyrimai MIT yra tokie pat eklektiški kaip ir jo laboratorinė įranga (Media Lab docentas, bendras Biologijos inžinerijos katedros ir Smegenų ir pažinimo mokslų katedros profesorius bei Sintetinės neurobiologijos grupės vadovas), pakeitė. tam tikros smegenų ląstelės, turinčios genų, gaminančių šviesai jautrius augalų, grybų ir bakterijų baltymus. Kadangi baltymai priverčia smegenų ląsteles sudeginti veikiant šviesai, jie suteikia Boydenui būdą įjungti ir išjungti genetiškai modifikuotus neuronus.

Ši istorija buvo mūsų 2010 m. lapkričio mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Dėl šios neuronų gudrybės Boydenas tapo optogenetikos centru – viena iš naujausių biologijos tyrimų sričių, kurią jis padėjo išrasti, ir kuri gali turėti įtakos tam, kas ateinančiais dešimtmečiais vyksta neuromoksle. Jis siekia atsakyti į labai paprastą klausimą: kaip konkrečių neuronų grupių elektrinis aktyvumas veikia mintis, jausmus ir elgesį? Kad ir kaip akivaizdžiai skambėtų šis klausimas, jis liko neatsakytas nuo tada, kai smegenų ląstelės pirmą kartą buvo pastebėtos daugiau nei prieš šimtmetį, dėl tos paprastos priežasties, kad niekada nebuvo tikslaus būdo sužinoti, kurie neuronai ką veikia tam tikros minties ar elgesio metu. . Santykinai naujos technologijos, pvz., funkcinis magnetinio rezonanso tomografija (fMRI), gali parodyti vidutinį aktyvumo lygį regionuose, kuriuose yra milijonai neuronų, o ne tokios naujos technologijos, kaip implantuoti elektrodai, gali aptikti aktyvumą konkretesnėje srityje, tačiau nė viena negali atsekti tuo pačiu ar nuoseklus tam tikro neuronų rinkinio, kuris gali būti surištas per skirtingus smegenų regionus, šaudymas. Tačiau šie nervinės veiklos modeliai yra pati smegenų funkcijos esmė, kontroliuojanti pažinimą ir elgesį.

Naudodami šviesą tam, kad užsidegtų specifiniai genetiškai modifikuotų neuronų rinkiniai, neurologai gali stebėti, kaip ši veikla yra susijusi su specifiniais dirgikliais ir elgesiu, taip pat su smegenų sutrikimais, tokiais kaip epilepsija ir Parkinsono liga. Elektros inžinieriai sukūrė principus, pagal kuriuos įvairias atskiras elektronines grandines galima surinkti į pilnai veikiantį kompiuterį; Panašiai Boydenas tikisi atskleisti principus, pagal kuriuos atskiros vienu metu sušaudančių neuronų grupės – smegenų grandinės, kaip jis mėgsta jas vadinti – veikia kartu, kad smegenys veiktų.

Galutinis Boydeno tikslas: rasti būdų, kaip ištaisyti sutrikusias smegenis, panašiai kaip elektros inžinieriai analizuoja ir keičia elektronines grandines derindami kompiuterio aparatinę įrangą. Jis sako, kad daugumos žmogaus neurologinių problemų gydymo būdų gydymo mechanizmai nėra suprantami, o tai reiškia, kad nėra logiško būdo nuolat juos tobulinti. Mūsų pagrindinis tikslas yra išsiaiškinti būdus, kaip valdyti nervų grandines, kad galėtume išvengti patologinių būsenų ir sukurti geresnius gydymo būdus. Ir nors jis puikiai žino apie etines problemas, kurios gali būti susijusios su technologija, galinčia tiksliai kontroliuoti tam tikrus žmogaus mąstymo, nuotaikos ir elgesio aspektus, jis yra įsitikinęs, kad optogenetika – būtent todėl, kad yra toks tikslus – labiau tikėtina, kad padės nei pakenks. Visi vaistai ir kiti neurologinių sutrikimų gydymo būdai tam tikru būdu moduliuoja mąstymą ir elgesį, ir visi jie turi šalutinį poveikį, kai kurie iš jų gana rimti, sako jis. Kuo daugiau galime nukreipti tik į tas smegenų grandines, susijusias su patologija, ir palikti kitus ramybėje, tuo mažiau tikėtina, kad sulauksime šalutinio poveikio. Gali tekti susidurti su naujais šios technologijos pavojais, tačiau pats technologijos tikslumas neturėtų būti laikomas problema.

Optogenetika pradeda daryti didžiulį poveikį neuromokslams, sako Johnas Byrne'as, Teksaso universiteto medicinos mokyklos Hiustono neurobiologijos ir anatomijos skyriaus pirmininkas. Mes daug žinome apie tai, kaip veikia atskiri neuronai ir kaip smegenų regionai apdoroja tam tikros rūšies informaciją, tačiau paskutinė riba yra sužinoti, kaip neuronų grupės bendrauja grandinėse, kad atliktų konkrečias funkcijas, sako jis. Štai ką optogenetika leis mums padaryti fantastiškai tiksliai.

Paleisti

Kai Boydenas įstojo į MIT, būdamas 16 metų, jis greitai sutelkė dėmesį į sistemos valdymo principų tyrinėjimą. Iš pradžių jis padėjo sukurti sistemą, leidžiančią vartotojui valdyti kompiuterio programą rankos judesiais. Tačiau tokios problemos atrodė šiek tiek per daug išsprendžiamos – jis tiesiog ieškojo geresnių būdų valdyti sistemas, kurios jau buvo įrodytos valdomos. Atrodė, kad viename MIT žiniasklaidos laboratorijos kampelyje vykstantys kvantinių skaičiavimų darbai buvo sunkesnis iššūkis, kurio jis siekė, ir Boydenas praleido ketvirtus metus universitete, bandydamas padėti sukurti techniką, kaip sutramdyti laikinai veikiančių atomų elgesį. egzistuoja keliose kvantinėse-mechaninėse būsenose. Deja, atomai pasirodė pernelyg nepaklusnūs, kad juos būtų galima valdyti, tačiau tai Boydenui suteikė naują įžvalgą. Jei problema neįmanoma, niekada nesidomėsite ką nors kontroliuoti, aiškina jis. Man reikėjo išspręsti problemą, kuri buvo beveik neįmanomas.

Kaip priversti neuronus užsidegti: Mokslininkai genų inžinerijos būdu sukūrė graužikų neuronus, kad būtų įtrauktas šviesai jautrus kanalas (dešinėje įduboje, viršuje). Veikiant mėlynai šviesolaidinio kabelio šviesai, kanalas atsidaro, todėl teigiamai įkrauti natrio jonai gali patekti į elementą (dešinėje įdėkloje, apačioje). Tai savo ruožtu suaktyvina ląstelę, perduodant signalą ląstelėms, esančioms pasroviui neuroninėje grandinėje.

Boydenui tai buvo smegenų valdymas. Po MIT jis įgijo neurologijos mokslų daktaro laipsnį Stanforde, kur bendradarbiavo su neurologu Karlu Deisserothu. Deisserotho grupė, kuri norėjo išskirti ir analizuoti atminties grandines, pradėjo dirbti su projektu, kuris pažadėjo pateikti įrankį ir kitų smegenų grandinių tyrinėjimui. Mokslininkai anksčiau demonstravo būdus, kaip šviesos pliūpsniai gali būti panaudoti smegenų ląstelėms sužadinti, tačiau šie metodai nebuvo pakankamai patobulinti, kad būtų galima ištirti konkrečias smegenų grandines. Tačiau Stanfordo mokslininkai žinojo, kad daugelio augalų ir bakterijų ląstelės, taip pat kai kurios akies ląstelės yra fotoreceptyvios: kai jas apšviečia šviesa, jos sukuria nedidelę įtampą, veikdamos įvairiomis kūno formomis. baltymai bendrai vadinami opsinais. Ar būtų galima naudoti opsinus, kad šie metodai būtų tikslesni?

Atsakymas, kaip paaiškėjo, buvo taip. Deisserothas, Boydenas ir Boydeno kolegos absolventai Feng Zhang pasirinko mikrobinius opsinus, kurie ypač efektyviai pavertė šviesą į elektros energiją, ir tiksliai nustatė tuos baltymus koduojančius genus. Tada, taikydami standartinę genų terapijos metodą, jie panaudojo virusą, kad į neuronus įterptų opsiną gaminančius genus. Patekę į neuronus, genai pradėjo gaminti opsinus, todėl neuronai užsidegė veikiami šviesos. Boydenas ir jo bendradarbiai rado tikslų, patikimą būdą stimuliuoti konkrečias neuronų grupes ir stebėti, kas atsitiko, kai jie šaudė.

Gebėjimas susieti konkrečias neuronų grupes su elgesio pokyčiais, nesvarbu, ar pokytis yra susijęs su pažinimu, motorine kontrole, emocijomis ar jutimo suvokimu, yra labai svarbus gydant smegenų sutrikimus. Jei galima nustatyti konkrečius neuronus, kurie sukelia problemą, mokslininkai žino, kur nukreipti galimus gydymo būdus. Tačiau mokslininkai negali ištirti, stebėti ir įrašyti atskirų grandinių, sudarančių prisiminimus ir mintis, sako Christianas Wentzas, buvęs Boydeno MIT laboratorijos absolventas, įkūręs Cerenova, ankstyvosios stadijos įmonę Kembridže. , Masačusetsas. Niekada nebuvo būdo nustatyti sąsajų tarp to, kas vyksta ląstelių lygmeniu smegenyse, ir to, kaip mes elgiamės ir mąstome, ir tai yra dalis priežasties, kodėl esami vaistai ar prietaisai nėra tinkamai sprendžiami kognityvinių funkcijų, – aiškina jis. Štai kodėl buvo taip sunku suprasti ir gydyti aukštesnio laipsnio pažinimo ir atminties sutrikimus, tokius kaip Alzheimerio liga.

Leisdamas tyrėjams priversti konkrečias neuronų grupes įsijungti, Boydeno danties formos optinių skaidulų ir šviesos diodų pluoštas suteikia galimybę ištirti šias jungtis. Po to, kai opsiną gaminantys genai buvo įterpti į pelės neuronus, kad ląstelės reaguotų į šviesą, mokslininkai Boydeno prietaisą implantuoja į tiriamą graužiko smegenų dalį. Tada jie gali kontroliuoti, ar neuronai aplink kiekvieno optinio pluošto galą šaudo. Jie nukreipia į skirtingus neuronų rinkinius pelės smegenyse ir stebi bet kokius elgesio pokyčius, kurie atsiranda, kai šie neuronai užsidega.

Boydenas naudojo šią techniką eksperimentuodamas su pelėmis, kurioms būdingi nerimo, baimės, atminties praradimo ir net potrauminio streso sutrikimo (PTSD) simptomai. Kadangi optinio pluošto prietaisas stimuliuoja skirtingas neuronų grupes, jis ieško požymių, rodančių, kad pelės simptomai gerėja ar blogėja. Jei simptomai pablogėja, kai užsidega tam tikra neuronų grupė, rasti būdų, kaip užkirsti kelią jiems šaudyti, yra perspektyvus gydymo būdas; jei simptomai pagerėja stimuliuojant, gali būti gydoma palengvinti jų uždegimą.

Laboratorijos visame pasaulyje pradėjo naudoti optogenetikos priemones, kad ištirtų beveik visus pagrindinius su smegenimis susijusius sutrikimus, įskaitant Alzheimerio, Parkinsono, šizofrenijos, epilepsijos, miego sutrikimus, regėjimo praradimą ir lėtinį skausmą. Apsvarstykite epilepsiją, kurią Jeffrey Noebelsas, Hiustono Bayloro medicinos koledžo neurologas, lygina su kai kuriomis pažįstamomis kompiuterio problemomis. Mes tiesiog nežinome, kodėl epilepsijos smegenys kartais nesugeba tinkamai sinchronizuotis, o tai gali sukelti paslaugų atsisakymo priepuolį ir mėlyną ekraną, sako jis. Mums trukdė stengtis sužinoti daugiau, nes vienu metu turėjome tirti smegenis visą regioną, o tai panašu į bandymą išsiaiškinti, kas negerai grandinėje, apšviečiant visą plokštę elektros srove. Naudodami optogenetiką galime sutelkti dėmesį į neuronus, kurie atlieka svarbų vaidmenį, o tai labiau panašu į atskirų tranzistorių žiūrėjimą. Sunkios epilepsijos gydymas gali apimti chirurginį didelių smegenų žievės gabalų pašalinimą, kad būtų išvengta traukulių, sako Noebelsas, tačiau tai gali sukelti pažinimo sutrikimus ir kitas problemas. Jei sugebėtume išskirti neuronus, kurie yra siaubingi, galėtume su vaistais ar stimuliacija padaryti žievę sveikesniu būdu, sako jis.

Boydenas mato dar didesnį optogenetikos vaidmenį: jis ne tik gali padėti atskleisti atskirų smegenų grandinių vaidmenį ir potencialiai nurodyti būdus, kaip ištaisyti nervinį uždegimo sutrikimą, bet ir padėti tyrėjams nustatyti, kaip visos skirtingos grandinės dera tarpusavyje, kad būtų sukurta pilnai veikiančios smegenys. Kaip formuojasi, prarandama ar pakeičiama atmintis? Kaip mintis sukelia piršto judesį? Kaip interpretuojame vaizdinius vaizdus?

Daugelis tūkstančių grandinių tikriausiai turės būti pritaikytos konkrečioms funkcijoms, kol susidarys bendras vaizdas, o tyrėjai turės gerokai paspartinti savo tempą, jei tikisi daugumą jų suderinti per dešimtmetį ar du. Tuo tikslu Boydenas numato pasitelkti kompiuterius procesui automatizuoti. Pavyzdžiui, kompiuteris gali ištirti grandinę, siųsdamas šviesą į tam tikrą gyvūno smegenų vietą. Norėdami perskaityti, kas vyksta atsakant, jis gali ieškoti švytinčių neuronų arba įrašyti, kaip gyvūnas juda arba kaip keičiasi jo širdies ritmas. Tada jis galėtų greitai ir pakartotinai pakoreguoti šviesos vietą, kad būtų padidintas atsakas.

Taip tirdamas pelių smegenų grandines, Boydenas tikisi galų gale pakeisti neuroninius tinklus, sudarančius smegenis, taip, kaip elektros inžinierius galėtų išmatuoti 0 smėlis vienas s, kurie yra elektroninio lusto išėjimai, skirti gauti programinės įrangos kodą, užprogramuotą lusto grandinėje. Jis sako, kad informaciją smegenyse sunku suprasti, jei nežinai, kaip ji buvo apskaičiuota. Norime atskleisti pradinį algoritmą, kuris yra pagrindinė funkcija.

Tylėjimas

Vienas iš artimiausių ir galbūt svarbiausių Boydeno metodų rezultatų greičiausiai bus vaistų kūrimas. Jei galėtume naudoti optines skaidulas tam, kad įjungtume ir išjungtume tam tikras smegenų grandines pabudusiame, besielgiantį gyvūną, kuriam buvo duotas vaistas, galėtume patikrinti, kurias grandines paveikia vaistas ir kokios yra elgesio pasekmės, sako Boydenas. Tai leistų mums ieškoti vaistų, kurie būtų specifiškesni ir veiksmingesni tinkamoms grandinėms, o ne tiesiog plaunant smegenis medžiagoje.

Vienas stebinantis ir svarbus atradimas, atsiradęs iš ankstyvųjų Boydeno tyrimų, buvo susijęs su tam tikru antistimuliuojančiu poveikiu smegenų grandinėse. Kažkas keisto nutinka, kai grupė neuronų, linkusių šaudyti kartu, yra stimuliuojama šviesa: nors dauguma ląstelių suveikia dažniau, maždaug trečdalis iš tikrųjų šaudo rečiau. Poveikis buvo stebėtinai nuoseklus visuose žievės regionuose ir visų tipų elgesiui bei funkcijoms, visoms gyvūnų rūšims, kurios buvo išbandytos. Tai, kad didelė dalis neuronų buvo visiškai slopinami, parodė, kad čia reikia atsižvelgti į svarbų neuronų kontrolės principą, sako Boydenas. Jei norime, kad smegenų grandinė ką nors veiktų, turime atsižvelgti ne tik į tai, kuriuos neuronus sužadiname, bet ir kuriuos neuronus nutildome pasroviui. Tai greičiausiai bus ypač svarbu kuriant naujus vaistus. Pavyzdžiui, vaistas, kurio tikslas buvo palengvinti simptomą stimuliuodamas vieną neuronų grupę, gali pabloginti padėtį, nes netiesiogiai nutildo kitus neuronus. Kita vertus, tam tikrų neuronų nutildymas gali būti naudingas, pavyzdžiui, jei jie nekontroliuojamai šaudydami sukėlė epilepsijos priepuolius.

Optogenetiniai metodai ne tik gali atskleisti, kuriuos neuronus turėtų įjungti arba išjungti gydymas, bet ir patys gali tapti naudingi kaip gydymo būdai. Pavyzdžiui, jie galėtų pasiūlyti patobulinimų, palyginti su implantuojamaisiais prietaisais, kurie dabar sukelia elektrinius smūgius Parkinsono ligai ir kitiems sutrikimams gydyti. Tie prietaisai linkę aktyvuoti visus neuronus, esančius šalia implantuoto elektrodo, tačiau implantuotas šviesolaidinis įrenginys aktyvuotų tik tuos neuronus, kurie buvo pakeisti opsinais – tik sugedusias variklio valdymo grandinės dalis arba su nuotaika susijusią grandinę. tinkamai funkcionuojantys neuronai liktų ramybėje. Tam, žinoma, reikėtų naudoti genų terapiją žmonėms, ir tokie metodai, nepaisant daugelio metų tyrimų, vis dar yra eksperimentiniai. Tačiau galiausiai, jei genų terapija pasirodys saugi, gydytojai galėtų panaudoti optogenetiką, kad ištaisytų sugedusias smegenis, galbūt taikydami optinę ar elektrinę stimuliaciją tiksliai pasirinktose vietose.

Ar visuomenė sveikins implantuojamus optinius prietaisus, kurie galėtų atlikti tokius dalykus, ar baiminasi, kad šie metodai gali būti naudojami tam tikroms mintims, pojūčiams, emocijoms ar elgesiui sukelti ar slopinti? Žmonės jau turi labai skirtingas nuomones apie tai, kurie psichiatriniai vaistai yra verti, o kurie ne, sako Boydenas. Tie klausimai bus iškelti ir dėl šio požiūrio, ir tai nėra blogai. Visada turėtų vykti atviras mokslininkų, gydytojų, reguliavimo agentūrų ir visuomenės dialogas apie naujų gydymo būdų riziką ir naudą.

Davidas H. Freedmanas yra laisvai samdomas žurnalistas, rašęs Atlanto vandenynas ir Niujorko laikas . Naujausia jo knyga, Neteisingai , tyrinėja, kodėl ekspertai ir mokslininkai dažnai nesupranta dalykų.

paslėpti