Smadzeņu kontrole

Iekārtas Ed Boyden laboratorijā MIT nav nekas cits, ja ne eklektisks. Ir iekārtas gēnu analīzei un salikšanai; 3-D printeris; lāzera griezējs, kas spēj izgriezt priekšmetu no metāla bloka; Aparāti baktēriju, augu un sēnīšu kultivēšanai un izpētei; mašīna ultraplānu smadzeņu šķēlumu sagatavošanai; instrumenti elektronisko shēmu analīzei; augstas izšķirtspējas attēlveidošanas ierīču sērija. Taču Boidens visvairāk vēlas izrādīt mazu, neglītu lietu, kas izskatās pēc mataina plastmasas zoba. Tas faktiski ir apmēram duci dažādu garumu īsu optisko šķiedru korpuss, katra vienā galā piestiprināta pie gaismas diodes. Kad zobs tiek implantēts, piemēram, peles smadzenēs, katra no šīm gaismas diodēm var piegādāt gaismu citā vietā. Izmantojot ierīci, Boydens var sākt kontrolēt peles darbības aspektus.

Gaismas redzēšana: Eds Boidens savā MIT laboratorijā pēta, kā gaismjutīgās olbaltumvielas var izmantot, lai ietekmētu smadzeņu darbību.

Peļu smadzenes vai jebkuras citas smadzenes parasti nereaģē uz iegultajām gaismām. Taču Boidens, kura tikšanās MIT ir tikpat eklektiska kā viņa laboratorijas aprīkojums (Mediju laboratorijas docents, kopīgais profesors Bioloģiskās inženierijas katedrā un Smadzeņu un kognitīvo zinātņu katedrā un Sintētiskās neirobioloģijas grupas vadītājs), ir mainījis noteiktas smadzeņu šūnas ar gēniem, kas augos, sēnēs un baktērijās veido gaismas jutīgus proteīnus. Tā kā olbaltumvielas izraisa smadzeņu šūnu aizdegšanos, pakļaujoties gaismai, tās dod Boydenam iespēju ieslēgt un izslēgt ģenētiski modificētos neironus.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2010. gada novembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Šis neironu triks ir nostādījis Boidenu optoģenētikas centrā, kas ir viena no jaunākajām bioloģijas pētniecības jomām, kuru viņš palīdzēja izgudrot un kas varētu ietekmēt lielu daļu no tā, kas notiek neirozinātnē nākamajās desmitgadēs. Viņš cenšas atbildēt uz ļoti vienkāršu jautājumu: kā konkrētu neironu grupu elektriskā aktivitāte ietekmē domas, jūtas un uzvedību? Lai arī cik acīmredzams šis jautājums neizklausītos, tas ir palicis neatbildēts, kopš smadzeņu šūnas pirmo reizi tika novērotas pirms vairāk nekā gadsimta, tā vienkāršā iemesla dēļ, ka nekad nav bijis precīzs veids, kā uzzināt, kuri neironi ko dara konkrētas domas vai uzvedības laikā. . Salīdzinoši jaunas tehnoloģijas, piemēram, funkcionālā magnētiskās rezonanses attēlveidošana (fMRI), var uzrādīt vidējos aktivitātes līmeņus reģionos, kuros ir miljoniem neironu, un ne tik jaunas tehnoloģijas, piemēram, implantēti elektrodi, var noteikt aktivitāti konkrētākā apgabalā, taču neviena no tām nevar izsekot vienlaicīgu vai noteikta neironu kopuma, kas var tikt izstieptas cauri dažādiem smadzeņu reģioniem, secīga iedarbināšana. Tomēr šie nervu darbības modeļi ir smadzeņu darbības būtība, kas kontrolē izziņu un uzvedību.

Izmantojot gaismu, lai aktivizētu noteiktus ģenētiski modificētu neironu kopumus, neirozinātnieki var novērot, kā šī darbība ir saistīta ar specifiskiem stimuliem un uzvedību, kā arī ar smadzeņu traucējumiem, piemēram, epilepsiju un Parkinsona slimību. Elektroinženieri ir izstrādājuši principus, pēc kuriem dažādas atsevišķas elektroniskās shēmas var salikt pilnībā funkcionējošā datorā; līdzīgi Boydens cer atklāt principus, saskaņā ar kuriem atsevišķas vienlaicīgi iedarbojošu neironu grupas — smadzeņu ķēdes, kā viņam patīk tās saukt — darbojas kopā, lai ļautu smadzenēm darboties.

Boydena galvenais mērķis: atrast veidus, kā labot nepareizas aizdedzes smadzenes, līdzīgi kā elektroinženieri analizē un maina elektroniskās shēmas, veicot datora aparatūras atkļūdošanu. Viņš saka, ka lielākajā daļā cilvēku neiroloģisko problēmu ārstēšanas metožu ārstēšanas mehānismi nav saprotami, kas nozīmē, ka nav īsti loģiska veida, kā tos nepārtraukti uzlabot. Mūsu galvenais mērķis ir izdomāt veidus, kā kontrolēt neironu ķēdes, lai mēs varētu izvairīties no patoloģiskiem stāvokļiem un izstrādāt labākas ārstēšanas metodes. Un, lai gan viņš labi apzinās ētikas problēmas, kas varētu būt saistītas ar tehnoloģiju, kas spēj precīzi kontrolēt noteiktus cilvēka domāšanas, noskaņojuma un uzvedības aspektus, viņš ir pārliecināts, ka optoģenētika – tieši tāpēc, ka ir tik precīzs — daudz lielāka iespēja palīdzēt nekā kaitēt. Visas zāles un citas neiroloģisko traucējumu ārstēšanas metodes kaut kādā veidā modulē domu un uzvedību, un tām visām ir blakusparādības, dažas no tām ir diezgan nopietnas, viņš saka. Jo vairāk mēs varam mērķēt tikai uz tām smadzeņu ķēdēm, kas ir iesaistītas patoloģijā, un atstāt citus mierā, jo mazāk blakusparādību mēs, iespējams, redzēsim. Var nākties saskarties ar jauniem riskiem ar šo tehnoloģiju, taču pašas tehnoloģijas precizitāti nevajadzētu uzskatīt par problēmu.

Optoģenētikai sāk būt milzīga ietekme uz neirozinātni, saka Džons Bērns, Teksasas Universitātes Medicīnas skolas Neirobioloģijas un anatomijas nodaļas priekšsēdētājs Hjūstonā. Viņš saka, ka mēs daudz zinām par to, kā darbojas atsevišķi neironi un kā smadzeņu reģioni apstrādā noteikta veida informāciju, taču pēdējā robeža ir uzzināt, kā neironu grupas sazinās ķēdēs, lai veiktu noteiktas funkcijas. Tas ir tas, ko optogenētika ļaus mums darīt ar fantastisku specifiku.

Šaut

Kad Boydens 16 gadu vecumā iestājās MIT, viņš ātri pievērsās sistēmas kontroles principu izpētei. Sākumā viņš palīdzēja izstrādāt sistēmu, kas ļāva lietotājam kontrolēt datorprogrammu ar roku kustībām. Taču šādas problēmas šķita pārāk atrisināmas — viņš tikai atrada labākus veidus, kā kontrolēt sistēmas, kuras jau bija izrādījušās vadāmas. Šķita, ka kvantu skaitļošanas darbs, kas tika uzsākts vienā MIT Media Lab stūrī, radīja grūtāku izaicinājumu, kādu viņš meklēja, un Boydens pavadīja savu ceturto gadu universitātē, mēģinot palīdzēt izstrādāt paņēmienu, kā pieradināt atomu uzvedību, kas īslaicīgi. pastāv vairākos kvantu mehāniskos stāvokļos. Diemžēl atomi izrādījās pārāk nepaklausīgi, lai tos kontrolētu, taču tas pats Boidenam deva jaunu ieskatu. Ja problēma nav iespējama, jūs nekad nesaņemat jautrību kaut ko kontrolēt, viņš skaidro. Man bija jārisina problēma, kas bija gandrīz neiespējami.

Kā likt neironiem aizdegties: Zinātnieki ir ģenētiski konstruējuši grauzēju neironus, lai iekļautu gaismas jutīgu kanālu (pa labi, augšpusē). Kad tiek pakļauts zilai gaismai, ko nodrošina optiskās šķiedras kabelis, kanāls atveras, ļaujot pozitīvi lādētiem nātrija joniem ieplūst šūnā (labajā iekšienē, apakšā). Tas savukārt izraisa šūnas aizdegšanos, pārraidot signālu šūnām lejup pa neironu ķēdi.

Boydenam tas kontrolēja smadzenes. Pēc MIT viņš ieguva doktora grādu neirozinātnēs Stenfordā, kur sadarbojās ar neirozinātnieku Karlu Deisserotu. Deisserota grupa, kas vēlējās izolēt un analizēt atmiņas shēmas, sāka strādāt pie projekta, kas solīja nodrošināt rīku arī citu smadzeņu ķēžu izpētei. Zinātnieki jau iepriekš bija parādījuši veidus, kā gaismas uzliesmojumus var izmantot, lai pierunātu smadzeņu šūnas, bet metodes nebija pietiekami pilnveidotas, lai pārbaudītu noteiktas smadzeņu ķēdes. Tomēr Stenfordas pētnieki zināja, ka daudzu augu un baktēriju šūnas, kā arī dažas acs šūnas ir fotoreceptīvas: kad uz tām tiek spīdēta gaisma, tās ģenerē nelielu spriegumu, iedarbojoties uz dažādām acs formām. olbaltumvielas kopā sauktas par opsīniem. Vai opsīnus varētu izmantot, lai šīs metodes padarītu precīzākas?

Izrādījās, ka atbilde bija jā. Deisserots, Boidens un Boydena absolvents Fens Džans izvēlējās mikrobu opsīnus, kas bija īpaši efektīvi gaismas pārveidošanā elektriskajā enerģijā, un precīzi noteica gēnus, kas kodē šīs olbaltumvielas. Pēc tam, izmantojot gēnu terapijas standartu, viņi izmantoja vīrusu, lai neironos ievietotu opsīnu ražojošos gēnus. Nokļūstot neironos, gēni sāka ražot opsīnus, kā rezultātā neironi sāka darboties, pakļaujoties gaismai. Boidens un viņa kolēģi bija atraduši precīzu, uzticamu veidu, kā stimulēt noteiktas neironu grupas un novērot, kas notika, kad tās izšāva.

Spēja saistīt noteiktas neironu grupas ar uzvedības izmaiņām neatkarīgi no tā, vai izmaiņas ir saistītas ar izziņu, motora vadību, emocijām vai sensoro uztveri, ir izšķiroša nozīme smadzeņu traucējumu ārstēšanā. Ja var identificēt konkrētos neironus, kas rada problēmu, pētnieki zina, kur mērķēt iespējamās terapijas. Taču zinātnieki nespēj zondēt, uzraudzīt un reģistrēt atsevišķas shēmas, kas veido atmiņas un domas, saka Kristians Vencs, bijušais Boydenas MIT laboratorijas absolvents, kurš ir līdzdibinājis Cerenova, agrīnās stadijas uzņēmumu Kembridžā. , Masačūsetsa. Viņš skaidro, ka nekad nav bijis veids, kā izveidot saikni starp to, kas notiek šūnu līmenī smadzenēs, un to, kā mēs uzvedamies un domājam, un tas ir daļa no iemesla, kāpēc kognitīvās funkcijas nepietiekami risina esošās zāles vai ierīces. Tāpēc ir bijis tik grūti saprast un ārstēt augstākas pakāpes izziņas un atmiņas traucējumus, piemēram, Alcheimera slimību.

Ļaujot pētniekiem likt noteiktām neironu grupām iedarboties uz signālu, Boidena zoba formas optisko šķiedru un gaismas diožu saišķis nodrošina veidu, kā izpētīt šos savienojumus. Pēc tam, kad peles neironos ir ievietoti opsīnu ražojošie gēni, lai šūnas reaģētu uz gaismu, pētnieki implantē Boidena ierīci pētāmajā grauzēja smadzeņu daļā. Tad viņi var kontrolēt, vai neironi ap katras optiskās šķiedras galu šauj. Tie ir vērsti uz dažādām neironu kopām peles smadzenēs un novēro visas uzvedības izmaiņas, kas rodas, kad šie neironi uzliesmo.

Boydens ir izmantojis šo paņēmienu, lai eksperimentētu ar pelēm, kurām ir trauksmes, baiļu, atmiņas zuduma un pat pēctraumatiskā stresa traucējumu (PTSD) simptomi. Tā kā optiskās šķiedras ierīce stimulē dažādas neironu grupas, viņš meklē pazīmes, kas liecina, ka peles simptomi uzlabojas vai pasliktinās. Ja simptomi pasliktinās, kad notiek noteikta neironu grupa, tad daudzsološs ārstēšanas veids ir atrast veidus, kā novērst to izšaušanos; ja simptomi uzlabojas pēc stimulācijas, var būt terapeitiski, lai atvieglotu to izšaušanu.

Laboratorijas visā pasaulē ir sākušas izmantot optoģenētikas rīkus, lai pētītu gandrīz visus galvenos ar smadzenēm saistītus traucējumus, tostarp Alcheimera slimību, Parkinsona slimību, šizofrēniju, epilepsiju, miega traucējumus, redzes zudumu un hroniskas sāpes. Apsveriet epilepsiju, ko Džefrijs Noebels, neirozinātnieks Beiloras Medicīnas koledžā Hjūstonā, salīdzina ar dažām pazīstamām datora problēmām. Mēs vienkārši nezinām, kāpēc epilepsijas smadzenes reizēm nespēj pareizi sinhronizēt, izraisot pakalpojumu atteikuma uzbrukumu un zilu ekrānu, viņš saka. Mēģinot uzzināt vairāk, mums ir traucēts, jo mums ir nācies izmeklēt smadzenes veselu reģionu vienlaikus, kas ir kā mēģinājums noskaidrot, kas ir nepareizi shēmas platē, nospridzinot visu plati ar elektrisko strāvu. Izmantojot optoģenētiku, mēs varam koncentrēties uz neironiem, kuriem ir izšķiroša loma, kas vairāk līdzinās atsevišķu tranzistoru skatīšanai. Smagas epilepsijas ārstēšana var ietvert lielu smadzeņu garozas gabalu ķirurģisku izņemšanu, lai novērstu krampjus, saka Noebels, taču tas var izraisīt kognitīvus traucējumus un citas problēmas. Viņš saka, ka, ja mēs spēsim izdalīt neironus, kas ir trakulīgie, mēs, iespējams, spēsim veidot garozu, lai tā iedegtos veselīgākā veidā, izmantojot zāles vai stimulāciju.

Viņš uzskata, ka Boidens redz vēl lielāku optoģenētikas lomu: tas var ne tikai palīdzēt atklāt atsevišķu smadzeņu ķēžu lomu un potenciāli norādīt uz veidiem, kā novērst neironu aizdedzes traucējumus, bet arī palīdzēt pētniekiem noteikt, kā visas dažādās ķēdes sader kopā, lai izveidotu pilnībā funkcionējošas smadzenes. Kā veidojas, pazaudēta vai izmainīta atmiņa? Kā doma izraisa kustību pirkstā? Kā mēs interpretējam vizuālos attēlus?

Daudzi tūkstoši shēmu, iespējams, būs jāpielāgo konkrētām funkcijām, pirms parādīsies kopaina, un pētniekiem būs dramatiski jāpaātrina temps, ja viņi cer saskaņot lielāko daļu no tām desmit vai divu gadu laikā. Šim nolūkam Boidens plāno piesaistīt datorus, lai automatizētu procesu. Piemēram, dators var izpētīt ķēdi, nosūtot gaismu uz noteiktu vietu dzīvnieka smadzenēs. Lai izlasītu, kas notiek atbildē, tas varētu meklēt mirdzošus neironus vai reģistrēt, kā dzīvnieks pārvietojas vai kā mainās tā sirdsdarbība. Tad tas varētu ātri un atkārtoti pielāgot gaismas atrašanās vietu, lai mēģinātu palielināt šo reakciju.

Šādi zondējot smadzeņu ķēdes pelēm, Boidens cer beidzot pārveidot neironu tīklus, kas veido smadzenes, tā, kā elektroinženieris varētu izmērīt 0 smiltis viens s, kas ir elektroniskās mikroshēmas izejas, lai iegūtu programmatūras kodu, kas ieprogrammēts mikroshēmas shēmā. Viņš saka, ka informāciju smadzenēs ir grūti saprast, ja nezināt, kā tā tika aprēķināta. Mēs vēlamies atklāt sākotnējo algoritmu, kas ir pamatā esošā funkcija.

Klusuma uzturēšana

Viens no tūlītējākajiem un, iespējams, vissvarīgākajiem Boydena metožu ieguvumiem, visticamāk, būs zāļu izstrāde. Ja mēs varētu izmantot optiskās šķiedras, lai ieslēgtu un izslēgtu noteiktas smadzeņu ķēdes nomodā, izturīgā dzīvniekā, kuram ir ievadītas zāles, mēs varētu pārbaudīt, kuras ķēdes ietekmē zāles un kādas ir uzvedības sekas, saka Boidens. Tas ļautu mums meklēt zāles, kas ir specifiskākas un efektīvākas pareizajās ķēdēs, nevis tikai peldēt smadzenes vielā.

Viens pārsteidzošs un svarīgs atklājums, kas nāca no Boydena agrīnajiem pētījumiem, bija saistīts ar sava veida antistimulācijas efektu smadzeņu ķēdēs. Kaut kas dīvains notiek, ja gaisma stimulē neironu grupu, kam ir tendence sašauties kopā: lai gan lielākā daļa šūnu šauj biežāk, aptuveni trešā daļa faktiski šauj retāk. Efekts ir izrādījies pārsteidzoši konsekvents visiem garozas reģioniem un visu veidu uzvedībai un funkcijām visās pārbaudītajās dzīvnieku sugās. Fakts, ka ievērojama daļa neironu bija pilnībā inhibēta, liecināja, ka šeit ir jāņem vērā svarīgs neironu kontroles princips, saka Boidens. Ja mēs vēlamies, lai smadzeņu ķēde kaut ko darītu, mums ir jāņem vērā ne tikai tos neironus, kurus mēs ierosinām, bet arī tos, kurus mēs apklusinām lejup pa straumi. Tas, iespējams, būs īpaši svarīgi jaunu zāļu izstrādē. Piemēram, zāles, kuru mērķis ir atvieglot simptomus, stimulējot vienu neironu grupu, var pasliktināt situāciju, netieši apklusinot citus neironus. No otras puses, dažu neironu apklusināšana varētu būt noderīga, piemēram, ja tie būtu izraisījuši epilepsijas lēkmes, nekontrolējami šaujot.

Optoģenētiskās metodes ne tikai varētu atklāt, kurus neironus ārstēšanai vajadzētu ieslēgt vai izslēgt, bet arī tie varētu kļūt noderīgi kā ārstēšana paši par sevi. Piemēram, tie varētu piedāvāt uzlabojumus salīdzinājumā ar implantējamām ierīcēm, kas tagad nodrošina elektriskus grūdienus, lai ārstētu Parkinsona slimību un citus traucējumus. Šīs ierīces mēdz aktivizēt visus neironus implantēta elektroda tuvumā, bet implantēta optiskās šķiedras ierīce aktivizēs tikai tos neironus, kas ir mainīti ar opsīniem — tikai motora vadības ķēdes vai ar garastāvokli saistītas ķēdes bojātās daļas. pareizi funkcionējoši neironi paliktu vieni. Tam, protams, būtu jāizmanto gēnu terapija cilvēku pacientiem, un šādas metodes, neskatoties uz gadiem ilgušajiem pētījumiem, joprojām ir eksperimentālas. Tomēr galu galā, ja gēnu terapija izrādīsies droša, ārsti varētu izmantot optoģenētiku, lai labotu bojātas smadzenes, iespējams, precīzi izvēlētās vietās izmantojot optisku vai elektrisku stimulāciju.

Vai sabiedrība atzinīgi vērtēs implantējamas optiskās ierīces, kas varētu darīt šādas lietas, vai arī viņi baidīsies, ka šīs metodes var izmantot, lai izraisītu vai apspiestu noteiktas domas, sajūtas, emocijas vai uzvedību? Cilvēkiem jau ir ļoti dažādi viedokļi par to, kuras psihiatriskās zāles ir tā vērtas un kuras nav, saka Boidens. Šie jautājumi tiks uzdoti arī par šo pieeju, un tas nav slikti. Vienmēr ir jābūt atklātam dialogam starp zinātniekiem, ārstiem, regulatīvajām aģentūrām un sabiedrību par jaunu ārstēšanas veidu riskiem un ieguvumiem.

Deivids H. Frīdmens ir ārštata žurnālists, kurš ir rakstījis Atlantijas okeāns un Ņujorkas Laiks . Viņa jaunākā grāmata, Nepareizi , pēta, kāpēc eksperti un zinātnieki bieži vien nesaprot lietas.

paslēpties