Kontrola mozga svjetlom: Moguća je optogenetika

Oglas

Medicinski znanstvenici proučavaju mozak više od pet stotina godina - i nakon svega toga, zagonetni organ i dalje čuva puno tajni. Konačno, samo u posljednjih nekoliko godina, pojavila se nova tehnika nazvana "optogenetika" koja će pomoći znanstvenicima da razotkriju tajne mozga (i liječe njegove poremećaje) na potpuno novi način.

Zašto nam je potrebna optogenetika?

Na mnoge načine je nevjerojatno da psihijatrijski lijekovi uopće djeluju. Stanje tehnike - što najbolje moderna znanost može učiniti - znači uranjanje mozga u kemijsku kupku i nadajući se da će to učiniti jedino što nas zanima. I... to nekako djeluje! Ponekad.

Postoje lijekovi koji su vrlo moćni za liječenje depresije, OCD, bipolarnog poremećaja i Parkinsonove bolesti. Često su opušteni neugodnim nuspojavama. Lijekovi koji djeluju dobro često su otkriveni samo pokušajem i pogreškama. U mnogim slučajevima, znanstvenici nemaju detaljno razumijevanje kako mozak radi kako bi postigao normalnu funkciju - ili kako to radi kad ne radi. Te se praznine u znanju teško otkloniti tradicionalnim načinima proučavanja mozga i ograničavaju sposobnost razvijanja učinkovite terapije.

Ono što bi psihijatri i neurolozi zapravo željeli jest potpuni pristup čitanju i pisanju mozgu: sposobnost da se dosegne u nečiju glavu i uzbuđuje ili suzbiti proizvoljne skupine neurona, rezolucijom jednog neurona, omogućujući nam da izoliramo populacije koje su nefunkcionalne i ispravimo njihovo ponašanje u stvarno vrijeme. Nažalost, pucanje nečije glave i pokretanje žica za svaki neuron je nepraktično.

Optogenetika obećava da će liječnici zapravo omogućiti nešto što je blizu takvoj vrsti pristupa.

Kako znanstvenici koriste svjetlost za kontrolu mozga

Evo kako to djeluje: prvo, istraživači ubrizgavaju subjekt genetski inženjeriranim virusom, dizajniranim da inficira moždano tkivo. Stotine milijardi primjeraka virusa preplavljuju mozak, ubrizgavajući njihov teret u živčane stanice dok se susretnu s njima.

Ovi virusi nisu štetni: umjesto da isporučuju zlonamjerni, samoobnavljajući korisni teret, ove viruse je dizajnirao znanstvenici isporučuju dobroćudni lanac DNA koji kodira posebne površinske proteine ​​koji reagiraju na određene valne duljine svjetlosti. Virusi jednostavno služe kao špricevi za jednokratnu upotrebu da bi stanicama isporučili poseban DNK.

U neurone je ugrađena ova posebna DNK, i ako su uvjeti dobri, izražavaju površinske proteine ​​koji uzrokuju paljenje kad se stimulira svjetlošću - iste vrste proteina koje ljudske stanice mrežnice koriste za otkrivanje svjetlosti i formiranja slike. Promjenjujući DNK koji će biti izbirljiviji kada se izražava, znanstvenici mogu odabrati koje vrste neurona (postoje tisuće sorti) izražavaju površinski protein i odgovorit će na svjetlost.

Zatim pažljivim nadzorom gdje svjetlost svijetli na mozgu, određena mjesta koja se stimuliraju ili depresivno se može kontrolirati podmilimetarskom preciznošću, stupanj kontrole koji nikad prije nije bio moguće. Što je još bolje, mnoga područja mozga mogu biti pogođena bez potrebe za rezanjem ili strukanjem žica kroz moždanu tvar, čineći postupak mnogo sigurnijim od konvencionalnih oblika stimulacije mozga.

Prema Ed Boydenu, profesor bioinžinjeringa i neuroznanosti na MIT-u,

Ako možete kontrolirati stanice u mozgu, možete shvatiti koja je njihova snaga, na što one mogu utjecati - i, također, ako možete kontrolirati stanice u mozgu, možete popraviti apstinentna stanja mozga i možete stvoriti nove vrste terapije, rezultirajući računalima koja su prošla krivo u neurološkoj ili psihijatrijskoj poremećaj

Možete pogledati prilično tehničko (ali izuzetno zanimljivo) predavanje o tehnikama i metodologiji u nastavku:

Što možete učiniti s optogenetikom?

Zamislite da istraživač želi bolje razumjeti kako djeluje depresija. Dakle, istraživač prikuplja neke depresivne miševe (ne pitajte kako istraživači stvaraju depresivne miševe, ne želite znati), i započinje s testiranjem.

Provjeravaju različite vrste neurona i različite regije mozga i vide što se događa kada stimulirate ili pritisnete ta područja i te vrste neurona. Neke eksperimentalne skupine postaju sretnije - neke postaju depresivnije: većina ne radi ni jedno ni drugo. Sužavanjem populacije koja je povezana i kako oni utječu na ishod, istraživač polako gradi duboku, detaljnu funkcionalnu kartu mozga: izolirajući strojeve radosti.

To je vrsta eksperimenta koju omogućuje optogenetika, a ona stoji kako bi znanstvenici mogli dublje razumjeti različite mentalne funkcije i načine na koje mogu pogriješiti.

Već je optogenetika dovela do nekih zanimljivih potencijalnih uvida u slušne halucinacije shizofrenije. Prema dr. Karlu Deisserothu sa Sveučilišta Stanford, to sada se čini vjerojatnim da su glasovi zapravo normalne sastavnice unutarnjeg monologa koje se pogrešno tumače kao vanjski utjecaj.

“To je možda slabo prepoznata verzija unutarnjih misli. Nekako se gube informacije da jedna misao zaista dolazi od sebe. To se gleda kao strano, govor koji govori. […] [Prije optogenetike] to se nije moglo znati jer nije bilo načina da se selektivno kontroliraju [stanice] u pravom vremenskom rasponu. "

Ovakve vrste uvida su znanstveno važne i mogle bi dovesti do boljih lijekova i terapija, kao i odgovora drevnih misterija o priroda svijesti i inteligencije Strojevi za razmišljanje: Što nas neuroznanost i umjetna inteligencija mogu naučiti o svijestiMože li nas izgradnja umjetno inteligentnih strojeva i softvera poučavati o radu svijesti i o prirodi samog ljudskog uma? Čitaj više .

U skoroj budućnosti liječnici će možda moći shvatiti iz tih eksperimenata, okrenuti ih, i koristeći optogenetiku na stvarnim pacijentima utjecati na neurološke aktivnosti koje pridonose depresija. Optogenetika omogućuje liječnicima ne samo da proučavaju mozak, već i da ga mijenjaju s daleko većom preciznošću nego što je to prije bilo moguće.

Izgradnja Šeširevog šešira

Nažalost, optogenetiku na ljudima vjerojatno nije moguće koristiti neinvazivno. Lubanja je jednostavno previše gusta, pa je kroz nju potrebno dovoditi optičke kablove. Ovo je glavna operacija i s njom su povezani rizici, iznad i izvan onoga što je uobičajeno uključeno u započinjanje terapije psihijatrijskim lijekovima.

Međutim, dotične terapije mogu biti puno učinkovitije i manje nuspojava, pa će to vjerojatno biti vrijedno mnogim pacijentima. Već postoje istraživanja o korištenju električnih stimulansi mozga za liječenje teške depresije, a rezultati su vrlo obećavajući. Buduće terapije temeljene na optogenetikama vjerojatno će biti manje invazivne i učinkovitije: kad se mozak popravi pravilno postavljenim optički kablovi mogu se umetnuti kroz nos kako bi se izbjeglo lomljenje lubanje, ostatak hardvera može se pohraniti izvana, radi lakšeg pristup. Sam implantat (optički kablovi i laserske diode) trebao bi samo napajanje i kontrolni signal, što bi se jednog dana moglo pružiti bežično.

Ostatak hardvera (računalo, baterija i tako dalje) potencijalno se može trošiti izvana, što dopušta pacijentu da ga preprogramira po potrebi, bez potrebe za dodatnim operativnim zahvatima.

Osim ispravljanja mentalnih bolesti, optogenetika pruža i mnogo biokompatibilniji i manje invazivan način za izravno stimuliraju živčane stanice u mozgu i tijelu u odnosu na uobičajene implantirane elektrode, što bi značilo velik put izrađivanje implantati koji poboljšavaju performanse transhumanističkog stila Uključite se u mozak i tijelo - budućnost implantiranih računalaS trenutnim trendom tehničkih inovacija i napretka, sada je pravo vrijeme da se istraži suvremeno stanje u računalno-ljudskim tehnologijama. Čitaj više praktičniji.

Da budemo jasni, sve je to još jako daleko: optogenetika je trenutno široko korišten istraživački alat (mi smo pokriveni eksperimenti koristeći ga prije Eksperiment laganom memorijom utječe na mozak miševa poput MIB neuralizatoraSjećate se kada su Will Smith i Tommy Lee Jones koristili neuralizator kako bi izbrisali sjećanja ljudi? Pa, UC Davisovi istraživači uspješno su "izbrisali specifična sjećanja" unutar miševa pomoću svjetlosti. Čitaj više ). Međutim, njegova uloga kao klinička terapija je udaljena najmanje desetljeće ili dva, a može ih nadomjestiti i drugim tehnikama koje mogu dati slične rezultate manje invazivno.

Ipak, izgledi su uzbudljivi, a neke aplikacije mogu stići i prije. Na primjer, to je moguće koristiti optogenetiku za izgradnju boljih kohlearnih implantata s puno većom preciznošću.

Nije li ovo sve stvarno zastrašujuće?

Neki od vas koji ovo čitate već crtaju kape svoje šljokice oko ušiju i to u potpunosti fer: ovakav pristup mozgu je bez presedana, izvan određene marke histerične znanosti fikcija. Barem vrijedi raspraviti potencijal za zlouporabu.

Ako možete provoditi dovoljno kontrole nad mozgom da popravite depresiju i šizofreniju i poremećaje ličnosti, možda također moći izvršavati dovoljno kontrole za reprogramiranje nečije seksualne orijentacije - ili lobotomizirati nepristojnu djecu i zatvorenici. Rizici roditelja koji pokušavaju koristiti takvu tehnologiju da bi prisilili promjene identiteta na svoju djecu onaj koji otvara posve nove etičke brige s kojima će se medicina baviti prvi put ikad.

Pored toga, iz perspektive računalne sigurnosti, mnogi moderni medicinski uređaji jednostavno nisu dovoljno sigurni i mogu se hakirati, u nekim slučajevima bežično. Takav je kompromis dovoljno zastrašujuće pomoću pejsmejkera, ali postaje užasno kad uzmete u obzir da bi napadač mogao (potencijalno) majmuna oko vaše glave bez dopuštenja.

Znanstvenici koji rade na ovim terapijama nisu svjesni tih pitanja. Karl Deisseroth, u istom gore citiranom intervjuu, iznio je istu točku:

„Specifičnost optogenetike postavlja pitanje kako bi se precizno mogao ugađati mozak da se stvarno stvori pojedinac s različitim potrebama, željama, prioritetima, osjećajima [...] postoji i uznemirujući aspekt, koji postavlja besplatna pitanja htjeti."

Pa ipak, ta se pitanja tiče blijeda u usporedbi s ogromnim brojem ljudi koji užasno pate od trenutno neizliječivih psihijatrijskih bolesti kojima optogenetika može pomoći. Ova je tehnologija korisnija nego što je opasna i, budući da se razvija tijekom sljedećih nekoliko desetljeća, može radikalno promijeniti prirodu terapije mentalnog zdravlja.

Što misliš? Zastrašujuće, cool ili negdje između? Ima li optogenetika potencijal da vam osobno pomogne? Javite nam u komentarima!

Kreditna slika: neuroni Via Shutterstock, „Staniol” Autor Russ Walker