211service.com
En lyskontakt til hjernen
Forskere kan nu tænde og slukke bestemte dele af hjernen med et simpelt lysglimt. Det nye molekylære værktøj, udviklet af forskere ved MIT og Stanford, tillader hidtil uset kontrol over hjernen og kan føre til mere effektive behandlinger for epilepsi, Parkinsons og andre sygdomme. Det kunne også hjælpe neuroforskere med at knække hjernens sprog: informationen kodet i neuronernes elektriske aktivitet, som danner vores erindringer og styrer alle vores bevægelser.
Ormetræning: En lysaktiveret sluk-knap kan styre bevægelsen af mikroskopiske orme. Forskere konstruerede ormene til at udtrykke skiftet i motoriske neuroner, der kontrollerer organismernes evne til at svømme. Uden lys svømmer ormene normalt. Men når de udsættes for gult lys, som indikeret af den gule cirkel, kan deres motoriske neuroner ikke længere fungere, hvilket lammer ormene.
På mange måder tror jeg, det kommer til at revolutionere feltet, siger Michael Hausser, neuroforsker ved University College London, som skrev en kommentar, der ledsagede forskningen, offentliggjort i dag i Natur og sidste måned i Public Library of Science One . Den kunne erstatte den stimulerende elektrode, som har været det vigtigste redskab for neurofysiologer i de sidste 100 år. Det kan også forbedre kliniske applikationer, hvor implanterede elektroder har vist sig at være nyttige ved at målrette excitation eller inhibering til specifikke celler.
Neuroner koder information med en række elektriske impulser transmitteret mellem celler. Neurovidenskabsmænd har traditionelt studeret hjernecellers funktion ved at sende stød af elektricitet leveret af en elektrode, som sætter gang i aktivitet i neuroner. Det er dog svært at målrette den aktivitet til en bestemt type celle, og der er ingen tilsvarende behandling for at slukke celler.
Sidste år valgte Karl Deisseroth, en bioingeniør og læge ved Stanford, og Ed Boyden, en bioingeniør ved MIT, en lysfølsom kanal fra vandmænd for at skabe en genetisk tænd-switch. Kanalen sidder på cellemembranen og åbner sig, når den udsættes for lys, hvilket tillader positiv ladning at strømme ind i cellen. Lys på neuroner, der er gensplejset til at bære kanalen, udløser elektrisk aktivitet i cellen, som derefter spredes til den næste neuron i kredsløbet. (Forskere bruger optiske fibre til at skinne lys ind i hjernen.)
Multimedier
Se en video af lysets effekt på de konstruerede orme.
Deisseroth og Boyden har nu uafhængigt af hinanden skabt en sluk-knap, der fungerer ved en lignende mekanisme. Denne gang brugte forskerne et gen, der koder for en proteinpumpe: når det rammes med gult lys, pumper det negativ ladning ind i cellen, hvilket blokerer neuronen i at affyre. Begge kontakter kan bruges i den samme celle, hvilket effektivt giver neuroforskere en lyskontakt, der kan bruges til at tænde og slukke neural aktivitet.
Denne nyfundne evne til præcist at kontrollere neuroner kunne endelig give svar på store spørgsmål om hjernen. Det kan hjælpe videnskabsmænd med at finde de specifikke celler eller neurale aktivitetsmønstre, der er involveret i kognitive processer, såsom opmærksomhed, eller i særlige sygdomme, såsom epilepsi.
Både epilepsi og Parkinsons sygdom kan behandles med elektroder implanteret i hjernen. Men elektriciteten leveret af elektroden stimulerer alle nærliggende celler i stedet for kun de syge, hvilket øger bivirkninger og potentielt mindsker effektiviteten af behandlingen. Det har været kilden til utrolig frustration, siger Deisseroth, en praktiserende psykiater, der tester elektrisk stimulation som behandling for svær depression. Vi ved, at vi kan få behandlingsfordele ved at stikke elektroder i hjernen, men vi ved ikke rigtig, hvad målcelletypen er.
Deisseroth og Boyden bruger nu lyskontakterne til at studere dyremodeller af disse sygdomme for at finde ud af præcis, hvilke celler der skal tændes eller slukkes. Deres resultater kunne bruges til at udvikle nye lægemidler, der kun er rettet mod disse celler, eller en dag til at erstatte elektroder med mere præcise lysaktiverede implantater.
Switchen kunne også hjælpe med at afkode hjernens sprog ved at hjælpe neurovidenskabsmænd med at bestemme, hvordan forskellige mønstre af neural aktivitet giver anledning til komplekse tanker og handlinger. For eksempel har nyere forskning antydet, at rytmiske elektriske mønstre i vores hjerne er vigtige for vores evne til at være opmærksom. Forskere kunne bruge kontakten til at forstyrre disse mønstre hos dyr og se, om det udsletter deres evne til at være opmærksom. Eller de kunne forsøge at fremkalde disse mønstre og se, om dette forbedrer dyrenes fokus. Det her har været en drøm for neuroforskere i lang tid, siger Hausser. At kunne manipulere det spatiotemporale aktivitetsmønster i et netværk og finde den kode, der er knyttet til en bestemt form for adfærd.
Derudover kan videnskabsmænd manipulere de specifikke enheder af den neurale kode - impulserne eller spidserne af elektrisk aktivitet, der transmitteres mellem celler. Vi har vist, at vi kan skubbe pigge rundt, blokere dem, forsinke dem, siger Boyden. Vi kan virkelig ændre neural kodning på en millisekunds tidsskala. Det burde gøre det muligt for videnskabsmænd at bestemme, hvilket aspekt af koden – spidsernes timing eller spidsernes hastighed – der koder for information i hjernen, en debat, der har raset i årtier.