Neurosciences nye værktøjskasse

Med opfindelsen af ​​optogenetik og andre teknologier kan forskere for første gang undersøge kilden til følelser, hukommelse og bevidsthed. Ved

• Stephen S. Hall arkiv side

17. juni 2014

Det, der kunne kaldes make love, not war-grenen af ​​adfærdsmæssig neurovidenskab, begyndte at tage form i (hvor ellers?) Californien for flere år siden, da forskere i David J. Andersons laboratorium ved Caltech besluttede at tackle aggressionsbiologien. De indledte forskningslinjen ved at orkestrere den murine version af Fight Night: de fik hanmus til at filtre sammen med rivaliserende hanner og derefter, med omhyggeligt molekylært detektivarbejde, nulstillede de en snert af celler i hypothalamus, der blev aktive, da musene startede. at kæmpe.

Hypothalamus er en lille struktur dybt inde i hjernen, der blandt andre funktioner koordinerer sensoriske input - for eksempel udseendet af en rival - med instinktive adfærdsreaktioner. Tilbage i 1920'erne havde Walter Hess fra Zürich Universitet (som ville vinde en Nobel i 1949) vist, at hvis man satte en elektrode ind i hjernen på en kat og elektrisk stimulerede visse områder af hypothalamus, kunne man forvandle en spindende kat. ind i en pelset sløring af aggression. Flere interessante hypoteser forsøgte at forklare, hvordan og hvorfor det skete, men der var ingen måde at teste dem på. Ligesom mange grundlæggende spørgsmål inden for hjernevidenskab, forsvandt mysteriet om aggression ikke i løbet af det sidste århundrede - det ramte bare de sædvanlige empiriske vejspærringer. Vi havde gode spørgsmål, men ingen teknologi til at finde svarene.

Denne historie var en del af vores juli 2014-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

I 2010 var Andersons Caltech-laboratorium begyndt at pirre de underliggende mekanismer og neurale kredsløb af aggression i deres stridslystne mus. Bevæbnet med en række nye teknologier, der gjorde det muligt for dem at fokusere på individuelle klumper af celler i hjerneområder, faldt de over en overraskende anatomisk opdagelse: den lille del af hypothalamus, der syntes korreleret med aggressiv adfærd, var sammenflettet med den del, der var forbundet med impulsen. at parre sig. Det lille hertugdømme af celler - det tekniske navn er den ventromediale hypothalamus - viste sig at være en samling af omkring 5.000 neuroner, alle marmoreret sammen, nogle af dem tilsyneladende forbundet med parring og andre til kamp.

Der er ikke sådan noget som en generisk neuron, siger Anderson, der vurderer, at der kan være op til 10.000 forskellige klasser af neuroner i hjernen. Selv små områder af hjernen indeholder en blanding, siger han, og disse neuroner påvirker ofte adfærd i forskellige, modsatrettede retninger. I tilfældet med hypothalamus så nogle af neuronerne ud til at blive aktive under aggressiv adfærd, nogle af dem under parringsadfærd og en lille undergruppe - omkring 20 procent - under både kamp og parring.

Det var en provokerende opdagelse, men det var også et levn fra gammeldags neurovidenskab. At være aktiv var ikke det samme som at forårsage adfærden; det var bare en sammenhæng. Hvordan vidste forskerne med sikkerhed, hvad der udløste adfærden? Kunne de provokere en mus til at vælge en kamp blot ved at kilde et par celler i hypothalamus?

For et årti siden ville det have været teknologisk umuligt. Men i de sidste 10 år er neurovidenskaben blevet transformeret af en bemærkelsesværdig ny teknologi kaldet optogenetik, opfundet af forskere ved Stanford University og først beskrevet i 2005. Caltech-forskerne var i stand til at indsætte et genetisk modificeret lysfølsomt gen i specifikke celler, især steder i hjernen på en levende, åndedrættet, hektisk og lejlighedsvis canoodling hanmus. Ved at bruge en hårtynd fiberoptisk tråd indsat i den levende hjerne, kunne de derefter tænde og slukke for neuronerne i hypothalamus med et lysudbrud.

Optogenetics : Lyskontakter til neuroner

Anderson og hans kolleger brugte optogenetik til at producere en video, der dramatiserer had-kærlighedsspændingerne dybt inde i gnavere. Det viser en hanmus, der gør det, der falder naturligt, parrer sig med en hun, indtil Caltech-forskerne tænder lyset, i hvilket øjeblik den murine lothario bliver rasende. Når lyset er tændt, kan selv en mild opførsel hanmus fås til at angribe ethvert mål, der tilfældigvis er i nærheden – hans reproduktive partner, en anden hanmus, en kastreret hanmus (normalt ikke opfattet som en trussel), eller højst usandsynligt, en gummihandske faldt ned i buret.

Aktivering af disse neuroner med optogenetiske teknikker er tilstrækkelig til at aktivere aggressiv adfærd ikke kun mod passende mål som en anden mandlig mus, men også mod upassende mål, som kvinder og endda livløse genstande, siger Anderson. Omvendt kan forskere hæmme disse neuroner midt i en kamp ved at slukke lyset, siger han: Du kan stoppe kampen død i dens spor.

Desuden tyder forskningen på, at elskov tilsidesætter krigsskabelse i adfærdskalkylen: Jo tættere en mus var på fuldbyrdelsen af ​​den reproduktive handling, jo mere modstandsdygtig (eller uvidende) blev han over for lysimpulserne, der normalt udløste aggression. I et blad udgivet i Biologisk Psykiatri , med titlen Optogenetics, Sex, and Violence in the Brain: Implications for Psychiatry, bemærkede Anderson, Måske er imperativet for at 'elske, ikke krig' fastgjort til vores nervesystem, i højere grad end vi har indset. Vi kan være både elskere og kæmpere, med den slankeste neurologiske afstand, der adskiller de to impulser.

Optogenetik og andre nye teknikker betyder, at videnskabsmænd kan begynde at udpege funktionen af ​​de tusindvis af forskellige typer neuroner blandt de omkring 86 milliarder i den menneskelige hjerne.

Ingen antyder, at vi er på nippet til at implementere neurale kredsløbsafbrydere for at bremse aggressiv adfærd. Men som Anderson påpeger, fremhæver forskningen en større pointe om, hvordan en ny teknologi kan genopfinde den måde, hjernevidenskab udføres på. Optogenetiks evne til at omdanne et stort set korrelationelt videnskabsfelt til et, der tester årsagssammenhæng, har været transformerende, siger han.

Det radikale ved teknikken er, at det giver forskere mulighed for at forstyrre en celle eller et netværk af celler med udsøgt præcision, nøglen til at skitsere det kredsløb, der påvirker forskellige typer adfærd. Mens ældre teknologier som billeddannelse gjorde det muligt for forskere at se hjernen i aktion, sætter optogenetik dem i stand til at påvirke denne handling ved at pille ved bestemte dele af hjernen på bestemte tidspunkter for at se, hvad der sker.

Og optogenetik er blot et af en række revolutionerende nye værktøjer, der sandsynligvis vil spille ledende roller i, hvad der ligner en storhedstid for neurovidenskab. Store initiativer i både USA og Europa stræber efter at forstå, hvordan den menneskelige hjerne – den sammenfiltrede ostemasse på tre pund af neuroner, bindevæv og kredsløb – giver anledning til alt fra abstrakt tankegang til grundlæggende sansebehandling til følelser som aggression. Bevidsthed, fri vilje, hukommelse, læring – de er alle på bordet nu, da forskere bruger disse værktøjer til at undersøge, hvordan hjernen opnår sine tilsyneladende mystiske virkninger (se Søgning efter den frie viljesneuron).

Forbindelser

For mere end 2.000 år siden bemærkede Hippokrates, at hvis du vil forstå sindet, skal du begynde med at studere hjernen. Intet er sket i de sidste to årtusinder for at ændre dette imperativ – undtagen de værktøjer, som neurovidenskaben bringer til opgaven.

Neurovidenskabens historie er ligesom selve videnskabens historie ofte en historie om nye enheder og nye teknologier. Luigi Galvanis første tilfældige elektrode, som fremkaldte et ryk i en frøs muskel, har inspireret enhver efterfølgende elektrisk sonde, fra Walter Hess' katteprod til den nuværende terapeutiske brug af dyb hjernestimulering til behandling af Parkinsons sygdom (ca. 30.000 mennesker implanteret over hele verden har nu elektroder deres hjerner til at behandle denne tilstand). Plasterklemmen gjorde det muligt for neuroanatomer at se ebbe og strømning af ioner i en neuron, mens den forbereder sig på at skyde. Og lidt var Paul Lauterbur klar over, da han fokuserede et stærkt magnetfelt på en enkelt ulykkelig musling i sit laboratorium på State University of New York ved Stony Brook i de tidlige 1970'ere, at han og hans kolleger var ved at danne grundlaget for den magnetiske resonans. billedbehandlingsmaskiner (MRI), der har hjulpet med at afsløre det indre landskab og aktiviteten i en levende hjerne.

Voksende neuroner : At studere hvad der går galt

Men det er fremskridtene inden for genetik og genomiske værktøjer i løbet af de sidste par år, der virkelig har revolutioneret neurovidenskaben. Disse fremskridt gjorde de genetiske manipulationer i hjertet af optogenetik mulige. Endnu nyere genom-redigeringsmetoder kan bruges til præcist at ændre genetikken for levende celler i laboratoriet. Sammen med optogenetik betyder disse værktøjer, at videnskabsmænd kan begynde at udpege funktionen af ​​de tusindvis af forskellige typer nerveceller blandt de omkring 86 milliarder i den menneskelige hjerne.

Intet vidner mere om værdien af ​​en ny teknologi end antallet af videnskabsmænd, der hurtigt adopterer den og bruger den til at gøre krav på nye videnskabelige territorier. Som Edward Boyden, en videnskabsmand ved MIT, der hjalp med at udvikle optogenetik, udtrykker det: Ofte når en ny teknologi kommer ud, er der lidt af et landgreb.

Og selvom forskere griber disse muligheder inden for genomik og optogenetik, kommer der stadig andre fremskridt på banen. En ny kemisk behandling gør det muligt direkte at se nervefibre i pattedyrs hjerner; robotmikroelektroder kan aflytte (og forstyrre) enkeltceller i levende dyr; og mere sofistikerede billeddannelsesteknikker lader forskere matche nerveceller og fibre i hjerneskiver for at skabe et tredimensionelt kort over forbindelserne. Ved at bruge disse værktøjer sammen til at opbygge en forståelse af hjernens aktivitet håber forskerne at fange det største kognitive spil: hukommelse, beslutningstagning, bevidsthed, psykiatriske sygdomme som angst og depression, og ja, sex og vold.

Forskere spekulerede i, at hvis du kunne smugle genet for et lysfølsomt protein ind i en neuron og derefter pulsere cellen med lys, kunne du få den til at fyre. Du kan tænde og slukke for bestemte neuroner.

I januar 2013 investerede Europa-Kommissionen en milliard euro i lanceringen af ​​sit Human Brain Project, et 10-årigt initiativ til at kortlægge alle sammenhænge i hjernen. Flere måneder senere, i april 2013, annoncerede Obama-administrationen et initiativ kaldet Brain Research through Advanced Innovative Neurotechnologies (BRAIN), som forventes at strømme så meget som 1 milliard dollars ind i feltet, med meget af den tidlige finansiering øremærket til teknologiudvikling. Så er der Human Connectome Project, som har til formål at bruge elektronmikroskopbilleder af sekventielle skiver af hjernevæv til at kortlægge nerveceller og deres forbindelser i tre dimensioner. Supplerende forbindelses- og kortlægningsinitiativer er i gang på Howard Hughes Medical Institute i Virginia og Allen Institute for Brain Science i Seattle. De er alle en del af en stor global indsats, både offentligt og privat finansieret, for at opbygge et omfattende billede af den menneskelige hjerne, fra niveauet af gener og celler til niveauet af forbindelser og kredsløb.

I december sidste år, som et indledende skridt i BRAIN-initiativet, anmodede National Institutes of Health om forslag til projekter til en værdi af $40 millioner om teknologiudvikling inden for neurovidenskab. Hvorfor lægger BRAIN Initiativet så stor vægt på teknologi? siger Cornelia Bargmann, neuroforsker fra Rockefeller University, som medleder planlægningsprocessen for projektet. Det egentlige mål er at forstå, hvordan hjernen fungerer, på mange niveauer, i rum og tid, i mange forskellige neuroner på én gang. Og det, der har forhindret os i at forstå det, er begrænsninger i teknologien.

Aflytning

Optogenetik havde sin oprindelse i 2000, i sludder om natten på Stanford University. Der begyndte neuroforskerne Karl Deisseroth og Edward Boyden at hoppe ideer frem og tilbage om måder at identificere og i sidste ende manipulere aktiviteten af ​​specifikke hjernekredsløb. Deisseroth, som havde en PhD i neurovidenskab fra Stanford, længtes efter at forstå (og en dag behandle) de psykiske lidelser, der har generet menneskeheden siden Hippokrates æra, især angst og depression (se Shining Light on Madness). Boyden, som forfulgte kandidatarbejde i hjernefunktion, havde en altædende nysgerrighed om neuroteknologi. Først drømte de om at anvende små magnetiske perler som en måde at manipulere hjernefunktionen hos intakte, levende dyr. Men på et tidspunkt i løbet af de næste fem år gik en anden slags pære ud.

Siden 1970'erne havde mikrobiologer studeret en klasse af lysfølsomme molekyler kendt som rhodopsiner, som var blevet identificeret i simple organismer som bakterier, svampe og alger. Disse proteiner fungerer som gatekeepere langs cellevæggen; når de registrerer en bestemt bølgelængde af lys, lukker de enten ioner ind i en celle eller omvendt slipper de ioner ud af den. Denne ebbe og strøm af ioner afspejler den proces, hvorved et neuron affyrer: den elektriske ladning i nervecellen opbygges, indtil cellen udløser en spids af elektrisk aktivitet, der strømmer langs længden af ​​dens fiber (eller axon) til synapserne, hvor beskeden videregives til den næste celle i stien. Forskere spekulerede i, at hvis du kunne smugle genet for et af disse lysfølsomme proteiner ind i en neuron og derefter pulsere cellen med lys, kunne du få den til at fyre. Kort sagt kan du tænde eller slukke for specifikke neuroner i et bevidst dyr med et lysudbrud.

I 2004 indsatte Deisseroth med succes genet for et lysfølsomt molekyle fra alger i pattedyrneuroner i en skål. Deisseroth og Boyden fortsatte med at vise, at blåt lys kunne få neuronerne til at ild. Omtrent på samme tid sluttede en kandidatstuderende ved navn Feng Zhang sig til Deisseroths laboratorium. Zhang, der som gymnasieelev i Des Moines, Iowa havde tilegnet sig en tidlig ekspertise inden for teknikker inden for både molekylærbiologi og genterapi, viste, at genet for det ønskede protein kunne indføres i neuroner ved hjælp af gensplejsede vira. Igen ved at bruge pulser af blåt lys demonstrerede Stanford-holdet derefter, at det kunne tænde og slukke for elektriske pulser i de virusmodificerede pattedyrs nerveceller. I et skelsættende papir, der udkom i Natur Neurovidenskab i 2005 (efter, Boyden siger, at det blev afvist af Videnskab ), Deisseroth, Zhang og Boyden beskrev teknikken. (Ingen ville kalde det optogenetik i endnu et år.)

Neurovidenskabsmænd greb straks teknikkens kraft ved at indsætte lysfølsomme gener i levende dyr. Forskere i Deisseroths eget laboratorium brugte det til at identificere nye veje, der kontrollerer angst hos mus, og både Deisseroths team og hans samarbejdspartnere på Mount Sinai Hospital i New York brugte det til at tænde og slukke for depression hos rotter og mus. Og Susumu Tonegawas laboratorium på MIT brugte for nylig optogenetik til at skabe falske minder i laboratoriedyr.

Da jeg besøgte Boydens kontor på MIT's Media Lab i december sidste år, ringede videnskabsmanden op til sine seneste yndlingsartikler, der involverede optogenetik. I et jag af ord lige så hurtigt som hans tastetryk beskrev Boyden andengenerationsteknologier, der allerede er under udvikling. Den ene involverer aflytning af enkelte nerveceller hos bedøvede og bevidste dyr for at se tingene, der ruller under havet af aktivitet i en neuron, når dyret er bevidstløs. Boyden sagde: Det kaster bogstaveligt lys over, hvad det vil sige at have tanker og bevidsthed og følelser.

Forskere bruger ofte ord som overraskende og uventet til at karakterisere de seneste resultater, hvilket afspejler den indvirkning optogenetik har haft på forståelsen af ​​psykiatriske sygdomme.

Boydens gruppe havde også netop sendt et papir, der rapporterede om et nyt twist på optogenetik: separate, uafhængige neurale veje kan forstyrres samtidigt med røde og blå bølgelængder af lys. Teknikken har potentiale til at vise, hvordan forskellige kredsløb interagerer med og påvirker hinanden. Hans gruppe arbejder også på vanvittigt tætte registreringsprober og mikroskoper, der stræber efter at fange helhjerneaktivitet. Ambitionerne er ikke beskedne. Kan du registrere alle cellerne i hjernen, siger han, så du kan se tanker eller beslutninger eller andre komplekse fænomener dukke op, mens du går fra sansning til følelse til beslutning til handlingssted?

Hjernekortlægning : Kortlægning af informationsmotorvejene

Et par gader derfra oplistede Feng Zhang, som nu er adjunkt ved MIT og fakultetsmedlem ved Broad Institute, ældgamle neurovidenskabelige spørgsmål, som nu kan blive angrebet med de nye teknologier. Kan du lave en hukommelsesopgradering og øge kapaciteten? spurgte han. Hvordan er neurale kredsløb genetisk kodet? Hvordan kan du omprogrammere de genetiske instruktioner? Hvordan fikser man de genetiske mutationer, der forårsager fejlkobling eller andre funktionsfejl i det neurale system? Hvordan gør man den gamle hjerne yngre?

Udover at hjælpe med at opfinde optogenetik spillede Zhang en central rolle i udviklingen af ​​en genredigeringsteknik kaldet CRISPR (se 10 Breakthrough Technologies: Genome Editing, maj/juni). Teknologien gør det muligt for forskere at målrette mod et gen - i neuroner, for eksempel - og enten slette eller modificere det. Hvis det er modificeret til at inkludere en mutation, der er kendt eller mistænkt for at forårsage hjernesygdomme, kan forskere studere udviklingen af ​​disse lidelser hos forsøgsdyr. Alternativt kan forskere bruge CRISPR i laboratoriet til at ændre stamceller, som derefter kan dyrkes til neuroner for at se virkningerne.

Gennemsigtighed

Tilbage på Stanford, når han ikke ser patienter med autismespektrumforstyrrelser eller depression i klinikken, fortsætter Deisseroth med at opfinde værktøjer, som han og andre kan bruge til at studere disse tilstande. Sidste sommer rapporterede hans laboratorium om en ny måde for forskere at visualisere kablerne af nervefibre, kendt som hvidt stof, der forbinder fjerne områder af hjernen. Teknikken, kaldet Clarity, immobiliserer først biomolekyler såsom protein og DNA i et plastik-lignende net, der bevarer den fysiske integritet af en postmortem hjerne. Derefter skyller forskere en slags vaskemiddel gennem nettet for at opløse alt det fedt i hjernevæv, der normalt blokerer for lys. Hjernen gøres gennemsigtig, og pludselig afslører hele det tredimensionelle ledningsmønster.

Sammen transformerer de nye værktøjer mange konventionelle synspunkter inden for neurovidenskab. For eksempel, som Deisseroth bemærkede i en oversigtsartikel offentliggjort tidligere på året i Natur , har optogenetik udfordret nogle af de ideer, der ligger til grund for dyb hjernestimulering, som er blevet meget brugt til at behandle alt fra rystelser og epilepsi til angst og tvangslidelser. Ingen ved, hvorfor det virker, men driftsantagelsen har været, at dets terapeutiske virkninger stammer fra elektrisk stimulering af meget specifikke hjerneområder; neurokirurger gør en ekstraordinær indsats for at placere elektroder med den største præcision.

I 2009 viste Deisseroth og kolleger, at specifikt stimulering af det hvide stof, de neurale kabler, der tilfældigvis ligger nær elektroderne, gav den mest robuste kliniske forbedring af symptomer på Parkinsons sygdom. Med andre ord var det ikke hjernens kvarter, der betød så meget, som hvilke neurale motorveje der tilfældigvis passerede i nærheden. Forskere bruger ofte ord som overraskende og uventet til at karakterisere sådanne nylige resultater, hvilket afspejler den indflydelse, optogenetik har haft på forståelsen af ​​psykiatrisk sygdom.

På samme måde påpeger Caltechs Anderson, at den offentlige og videnskabelige forelskelse i funktionelle MR-studier gennem de sidste to årtier har skabt det indtryk, at visse områder af hjernen fungerer som centre for neural aktivitet - at amygdala er centrum for frygt, for eksempel, eller hypothalamus er centrum for aggression. Men han sammenligner fMRI med at se ned på et nattelandskab fra et fly i 30.000 fod og forsøge at finde ud af, hvad der foregår i en enkelt by. Optogenetik har derimod givet et meget mere detaljeret billede af den lille underopdeling af celler i hypothalamus og dermed et meget mere komplekst og nuanceret billede af aggression. Aktivering af specifikke neuroner i den lille by kan tippe en organisme til at lave krig, men aktivering af neuronerne ved siden af ​​kan skubbe den til at elske.

De nye teknikker vil give videnskabsmænd de første glimt af menneskelig kognition i aktion – et kig på, hvordan tanker, følelser, forudanelser og dysfunktionel mental aktivitet opstår fra det neurale kredsløb og fra aktiviteten af ​​bestemte typer celler. Forskere er lige begyndt at få denne indsigt, men i betragtning af den seneste teknologiske udvikling kan billedet dukke op hurtigere, end nogen havde drømt om muligt, da optogenetikkens lys først flimrede på for et par år siden.

Stephen S. Hall er videnskabsforfatter og forfatter i New York City. Hans sidste indslag for MIT Technology Review var at reparere dårlige minder.

skjule