Znajdź zawartość

Naukowcy opracowali metodę i urządzenie pozwalające na zdalne pobudzanie światłem pojedynczych neuronów nicienia, a w rezultacie na dowolne kierowanie jego zachowaniem, zmieniając go w biorobota. Caenorhabditis elegans jest milimetrowej długości nicieniem, często wykorzystywanym do badań przez naukowców - z powodu prostej budowy, dokładnie zbadanego systemu nerwowego (składającego się dokładnie z 302 neuronów), przezroczystego ciała i zsekwencjonowanego genomu. Jednak to, co zrobili naukowcy z Harvard University, University of Pennsylvania, oraz University of Massachusetts Medical School może zaskakiwać - zbudowali system sterowania tym nicieniem przy pomocy precyzyjnie skupionych impulsów niebieskiego i zielonego światła. Pierwszym krokiem było zmodyfikowanie genomu C. elegans, wprowadzając do neuronów białka halorodopsynę oraz kanałową rodopsynę-2. To uwrażliwiło neurony na niebieskie i zielone bodźce świetlne, pozwalając dowolnie wzbudzać je i hamować. Jako system sterujący skonstruowali urządzenie o nazwie CoLBeRT (Controlling Locomotion and Behavior in Real Time), które używając skupionych wiązek światła aktywuje (w czym pomaga przezroczyste ciało tego nicienia) pojedyncze neurony i pojedyncze komórki mięśniowe. Ponieważ nicień porusza się dość szybko, a jest przy tym mały (1 milimetr długości), imponująca jest precyzja urządzenia złożonego z mikroskopu, systemu mikroluster oraz komputera przetwarzającego obraz i celującego impulsami świetlnymi. Prędkość skanowania obrazu to 50 klatek na sekundę, precyzja systemu luster osiąga zaś 30 mikrometrów. Niebieski impuls działa pobudzająco na neuron, co pobudzenie nicień odczuwa jako dotknięcie, jeśli następuje ono w przedniej części ciała, C. elegans się zatrzymuje, jeśli w tylnej - rusza do przodu. Podobnie można wymuszać zmianę kierunku poruszania się, sterując nicieniem zarówno na lądzie, jak i w wodzie. Naukowcom udaje się nawet wywoływać składanie jaj „na komendę". Bezprecedensowy eksperyment stanowi przełom zarówno w dziedzinie badania zachowania i funkcji układu nerwowego, jak i w bioinżynierii i biorobotyce. Studium Aravinthana D.T. Samuela i Andrew M. Leifera ukazało się w Nature Methods.

Inżynierowie z MIT-u odkryli, że za pomocą żółtozielonego światła można wyłączyć neurony z ogniska padaczkowego. Najpierw w komórkach tych należy jednak umieścić pewne białko. Efekt takiego zabiegu jest natychmiastowy i odwracalny. Odkrycia zespołu Edwarda Boydena pozwalają nie tylko na leczenie zaburzeń neurologicznych, ale także rzucają nieco – nomen omen - światła na rolę spełnianą przez różne typy neuronów w prawidłowych obwodach neuronalnych. Dzięki temu da się stwierdzić, co konkretnie ulega zakłóceniu i na czym polega usterka. Mamy nadzieję umożliwić stworzenie szerokiej platformy molekularnych narzędzi do kontrolowania aktywności mózgu. Oznacza to nowe narzędzia terapeutyczne, ale również nowe sposoby badania funkcjonowania mózgu – przekonuje Boyden. Po raz pierwszy Amerykanin zademonstrował użycie światła do zmniejszenia aktywności mózgu w 2007 roku. Próby prowadzono jednak na komórkach, a nie na żywych organizmach i dodatkowo wyciszenie nie było zbyt precyzyjne. Obecnie naukowcy z MIT-u wykorzystali inne białko o nazwie Arch. Silniej hamuje ono neurony, oddziałuje na większą część tkanki i może być pobudzane wielokrotnie, ponieważ w ciągu milisekund od aktywacji światłem powraca do stanu pierwotnego. Z białkiem Arch wyciszanie mózgu jest niesamowicie precyzyjne i cyfrowe. To drugie było bardziej jak gałka do skręcania i pogłaśniania dźwięku. Amerykanie odwołali się do podejścia zwanego optogenetyką. Najpierw, a to działka inżynierów genetycznych, należało sprawić, by w neuronach żywych myszy dochodziło do ekspresji białka Arch, które działa jak pompa protonowa – przeprowadza protony przez błonę komórkową, by zmienić napięcie komórki. Pompy protonowe są światłoczułe, dlatego pod wpływem pobudzenia żółtozielonym światłem usuwają protony z komórki. Wskutek tego dochodzi do spadku napięcia wewnątrz neuronu i zatrzymania wyładowywania się, czyli przesyłania informacji. Wcześniej badacze posługiwali się inną światłoczułą pompą – integralnym białkiem błonowym halorodopsyną. Zmienia ona napięcie komórki, wprowadzając do wnętrza jony chlorkowe. Wyniki ich jednak nie zadowoliły, dlatego szukali lepszej pompy chlorkowej wśród licznych bakterii, roślin i grzybów. Szybko okazało się, że żadna pompa chlorkowa nie zapewniała żądanego stopnia kontroli, ale u archeowców Halorubrum sodomense z Morza Martwego odkryto idealną pompę protonową Arch. Nowa pompa regeneruje się w ciągu milisekund. Zanim halorodopsyna nadawała się do ponownego użycia, mijały minuty. To daje szanse na szybkie porównywanie pracy poszczególnych rodzajów neuronów w różnych warunkach, np. przy wykonywaniu różnorakich zadań. Na potrzeby eksperymentu naukowcy z MIT-u wszczepiali do mózgów myszy zewnętrznie sterowane źródła światła. Były one bezprzewodowe, co znacznie ułatwiło obsługę. By ocenić bezpieczeństwo i potencjał metody w zakresie leczenia padaczki, przewlekłego bólu i zespołu stresu pourazowego, grupa Boydena prowadzi przedkliniczne testy z udziałem nieczłowiekowatych naczelnych. Pracownicy MIT-u odkryli również inne pompy protonowe, którą aktywuje się za pomocą światła niebieskiego bądź czerwonego. W przyszłości zamierzają wypróbować nowe narzędzia na obwodach związanych z poznaniem i emocjami oraz określić, czy są one skuteczne i niegroźne dla małp.

Naukowcy z MIT opracowali technikę odwracalnego wyłączania komórek mózgowych za pomocą impulsów światła. Możliwe więc stałoby się kontrolowanie aktywności neuronów odpowiedzialnych za padaczkę czy chorobę Parkinsona. Obecnie tego typu neurony usuwane są chirurgicznie. W przyszłości kontrolowanie aktywności neuronów może pozwolić na opracowanie takich metod leczenia chorób psychicznych i neurologicznych, które będą powodowały minimalne skutki uboczne lub nie będą powodowały ich wcale – mówi Edward Boyden, szef Neuroengineering and Neuromedia Group w MIT. Odkrycie było możliwe dzięki wykorzystaniu genu zwanego halorodopsyną, który znajduje się u bakterii żyjącej w bardzo słonych wodach, np. w Wielkim Jeziorze Słonym w stanie Utah. Bakteria ta, Natronomas pharaonis, wykorzystuje gen do kodowania białek, które pełnią rolę aktywowanej światłem pompy związków chloru, które zapewniają bakterii energię. Gdy neurony zostaną zmanipulowane tak, by wydzielały halodropsynę, naukowcy będą mogli oświetlać je żółtym światłem i regulować ich aktywność. Światło aktywuje pompę, która tłoczy jony chlorku do neuronów, zmniejszając ich napięcie elektryczne i uspokajając w ten sposób wyładowania. Technika ta może być szczególnie przydatna w leczeniu chorób spowodowanych nadmierną aktywnością elektryczną neuronów. W takich chorobach będzie można po prostu wyłączyć obwody, które zachowują się nieprawidłowo – mówi Boyden. Obecnie u osób z epilepsją stosuje się elektrody, które od czasu do czasu podają napięcie elektryczne do konkretnych obszarów mózgu, działając jak defibrylator i wyłączają nadaktywne neurony. Nowe odkrycie pozwoli wykonać to samo przy użyciu światła, nie elektryczności. Naukowcy jeszcze w bieżącym roku chcą rozpocząć testy na myszach.