Nadzor možganov s svetlobo: z optogenetiko je mogoče

Oglas

Medicinski znanstveniki preučujejo možgane že več kot petsto let - in nenazadnje skrivnostni organ še vedno skriva veliko skrivnosti. Končno se šele v zadnjih nekaj letih pojavlja nova tehnika, imenovana optogenetika, ki lahko znanstvenikom pomaga razkriti skrivnosti možganov (in zdraviti njihove motnje) na povsem nov način.

Zakaj potrebujemo optogenetiko?

Na mnoge načine je neverjetno, da psihiatrična zdravila sploh delujejo. Stanje tehnike - kar je najbolj sodobna znanost, ki jo lahko počnemo - pomeni potopitev možganov v kemično kopel in upanje, da bo to tisto, kar nas zanima. In… nekako deluje! Včasih.

Obstajajo zdravila, ki so zelo močna za zdravljenje depresije, OCD, bipolarne motnje in Parkinsonove bolezni. Pogosto so jih preplavili neprijetni stranski učinki. Zdravila, ki delujejo dobro, pogosto niso odkrila nič drugega kot poskus in napake. V mnogih primerih znanstveniki nimajo natančnega razumevanja, kako možgani delujejo, da dosežejo normalno funkcijo - ali kako delujejo, ko ne delujejo. Te vrzeli v znanju je težko odpraviti s tradicionalnimi načini preučevanja možganov in omejujejo sposobnost razvoja učinkovitih terapij.

Kar bi si psihiatri in nevrologi resnično želeli, je popoln dostop do možganov, ki berejo pisanje: sposobnost, da dosežejo nekoga v glavo in vzbudijo oz. zatiramo poljubne skupine nevronov z ločljivostjo z enim nevronom in omogočimo izolacijo populacije, ki je nefunkcionalna, in popravimo njihovo vedenje v v realnem času. Na žalost razbijati nekoga odprto glavo in voditi žice do vsakega nevrona nepraktično.

Optogenetika obljublja, da lahko zdravniki dejansko dosežejo nekaj, kar je blizu takšnemu dostopu.

Kako znanstveniki uporabljajo svetlobo za nadzor možganov

Takole deluje: najprej raziskovalci zadevo vbrizgajo z gensko inženirskim virusom, ki je zasnovan za okužbo možganskega tkiva. Stotine milijard kopij virusa preplavijo možgane in vbrizgajo njihovo obremenitev v živčne celice, ko naletijo nanje.

Ti virusi niso škodljivi: namesto da bi zagotovili zlonamerno samoponovljivo koristno obremenitev, so ti virusi zasnovali znanstveniki oddajo benigni pramen DNA, ki kodira posebne površinske beljakovine, ki se odzivajo na določene valovne dolžine svetlobe. Virusi preprosto služijo kot brizge za enkratno uporabo, s katerimi se celicam odda poseben DNK.

Nevroni vključujejo to posebno DNK in, če so pogoji pravi, izrazijo površinske beljakovine, ki povzročijo, da se sprožijo ko jih stimuliramo s svetlobo - iste vrste beljakovin, ki jih človeške celice mrežnice uporabljajo za zaznavanje svetlobe in oblike slike. S spreminjanjem DNK, ki je bolj izbirčen, ko se izrazi, lahko znanstveniki izberejo, katere vrste nevronov (obstaja na tisoče različic) izražajo površinski protein in se bodo odzvali na svetlobo.

Nato s skrbnim nadzorom, kje svetloba sije na možgane, določene lokacije, ki jih stimuliramo oz depresijo je mogoče nadzorovati s podmilimetrsko natančnostjo, stopnjo nadzora, ki je še nikoli ni bilo mogoče. Še bolje je, da lahko prizadenemo številna področja možganov, ne da bi jim bilo treba skozi možganske snovi razrezati ali navojiti žice, zaradi česar je postopek veliko varnejši od običajnih oblik možganske stimulacije.

Po besedah ​​Eda Boydena, profesor bioinženiringa in nevroznanosti na MIT,

Če lahko nadzorujete celice v možganih, lahko ugotovite, kakšna je njihova moč, na kaj lahko vplivajo - in tudi, če lahko nadzorujete celice v možganih, lahko odpravite odkrita možganska stanja in lahko ustvarite nove vrste terapije, ki ne bodo upoštevale računov, ki so šli v nevrološkem ali psihiatričnem postopku motnja

Spodaj si lahko ogledate dokaj tehnično (a izjemno zanimivo) predavanje o tehnikah in metodologiji:

Kaj lahko storite z optogenetiko?

Predstavljajte si, da želi raziskovalec bolje razumeti, kako deluje depresija. Raziskovalec torej zbere nekaj depresivnih miši (ne sprašujte, kako raziskovalci ustvarjajo depresivne miši, česar nočete vedeti) in začne s testiranjem.

Preverijo različne vrste nevronov in različne možganske regije in vidijo, kaj se zgodi, ko stimulirate ali pritisnete na ta področja in te vrste nevronov. Nekatere eksperimentalne skupine so srečnejše - nekatere so bolj depresivne: večina ne. Z zožitvijo, katere populacije so povezane in kako vplivajo na rezultat, raziskovalec počasi sestavi globok, podroben funkcionalni zemljevid možganov: izolira stroje veselja.

To je vrsta eksperimenta, ki jo omogoča optogenetika, in znanstvenikom ponuja globlje razumevanje različnih miselnih funkcij in načinov, kako lahko gredo narobe.

Optogenetika je že povzročila zanimive vpoglede v slušne halucinacije shizofrenije. Karl Deisseroth z univerze Stanford je povedal zdaj se zdi verjetno da so glasovi pravzaprav normalne sestavine notranjega monologa, ki se napačno razlaga kot zunanji vpliv.

"Lahko gre za slabo prepoznano različico notranjih misli. Nekako se izgubi informacija, da misel resnično prihaja iz sebe. Na to gleda kot na tujo stvar, govor, ki govori. […] [Pred optogenetiko] tega ni bilo mogoče vedeti, ker ni bilo mogoče selektivno nadzorovati [celice] v pravem časovnem merilu. "

Te vrste vpogledov so znanstveno pomembne in bi lahko privedle do boljših zdravil in terapij ter odgovora na starodavne skrivnosti o naravo zavesti in inteligence Razmišljujoči stroji: Kaj nas lahko nevroznanost in umetna inteligenca naučita o zavestiAli nas lahko gradnja umetno inteligentnih strojev in programske opreme uči o delu zavesti in naravi človeškega uma? Preberi več .

V bližnji prihodnosti bodo zdravniki morda lahko vzeli vpogled v te poskuse, jih obrnili, in uporabljajo optogenetiko na dejanskih bolnikih, da vplivajo na nevrološke dejavnosti, ki prispevajo k temu depresija. Optogenetika zdravnikom omogoča, da ne samo preučujejo možgane, ampak jih tudi spremenijo z veliko večjo natančnostjo, kot je bilo mogoče prej.

Izdelava sanjsko kapo

Na žalost optogenetike na ljudeh verjetno ni mogoče uporabiti neinvazivno. Lobanja je preprosto predebela, zato je treba skozi njo napajati optične kable. To je velika operacija in z njo povezana tveganja zgoraj in zunaj tistega, kar je običajno vključeno v začetek tečaja psihiatričnih zdravil.

Vendar lahko zadevne terapije učinkujejo veliko bolj učinkovito in imajo manj stranskih učinkov, zato bo verjetno veliko bolnikov vredno. Že so bile raziskave uporabe električnih srčni spodbujevalniki za zdravljenje hude depresije, rezultati pa so zelo obetavni. Prihodnje terapije, ki temeljijo na optogenetiki, bodo verjetno manj invazivne in učinkovitejše: ko bodo možgani postavljeni s pravilno postavljenim optični kabli, morda vstavljeni skozi nos, da se izognete lomu lobanje, ostalo strojno opremo pa lahko shranite navzven, za enostavno dostop. Sam implantat (optični kabli in laserske diode) bi potreboval samo napajanje in kontrolni signal, kar bi lahko nekega dne bilo zagotovljeno brezžično.

Preostali del strojne opreme (računalnik, baterija in podobno) bi se lahko nosil zunaj, kar bi pacientovemu zdravniku lahko reprogramiralo po potrebi, ne da bi pri tem potrebovali dodatne operacije.

Poleg popravljanja duševnih bolezni optogenetika ponuja tudi precej bolj združljiv in manj invaziven način za neposredno stimulirajo živčne celice v možganih in telesu kot običajne implantirane elektrode, ki bi šle daleč naprej izdelava vsadki, ki izboljšujejo uspešnost v transhumanizmu Vključite se v možgane in telo - prihodnost vsadljenih računalnikovOb trenutnem trendu tehničnih inovacij in napredka je zdaj pravi čas za raziskovanje najsodobnejših tehnologij v računalniško-človeških tehnologijah. Preberi več bolj praktičen.

Jasno je, da je vse to še daleč: optogenetika je trenutno zelo razširjeno raziskovalno orodje (mi zajeti poskusi, ki so jih uporabili že prej Preizkus lahkega spomina vpliva na mišje možgane kot nevrolizator MIBSe spomnite, kdaj sta Will Smith in Tommy Lee Jones z neuralizatorjem izbrisala spomine ljudi? No, raziskovalci UC Davis so s pomočjo svetlobe uspešno "izbrisali posebne spomine" znotraj miši. Preberi več ). Vendar pa je njegova vloga klinične terapije oddaljena vsaj desetletje ali dve, zato jo je mogoče nadomestiti z drugimi tehnikami, ki omogočajo podobne rezultate manj invazivno.

Kljub temu je možnost zanimiva in nekatere aplikacije se lahko pojavijo prej. Na primer, mogoče uporabljati optogenetiko za izdelavo boljših kohlearnih vsadkov z veliko večjo natančnostjo.

Ali ni to vse res grozno?

Nekateri od vas, ki to berete, si že narišejo klobuke iz prtljažnika okoli ušes, in to v celoti pravično: tovrstni dostop do možganov je brez primere, zunaj določene znamke histerične znanosti fikcija. Vsaj vredno je razpravljati o potencialnih zlorabah.

Če lahko izvajate dovolj nadzora nad možgani, da odpravite depresijo in shizofrenijo ter osebnostne motnje, lahko prav tako lahko izvajajo dovolj nadzora, da lahko reprogramirajo neko spolno usmerjenost - ali lobotomirajo prepirljive otroke in zaporniki. Tveganja, ki jih starši poskušajo uporabiti s to tehnologijo, da pri svojih otrocih prisilijo spremembe identitete tista, ki odpira povsem nove etične pomisleke, s katerimi se bo medicina ukvarjala prvič kdajkoli.

Poleg tega z vidika preproste računalniške varnosti številni sodobni medicinski pripomočki preprosto niso dovolj varni in jih je v nekaterih primerih mogoče brezžično vkleniti. Takšen kompromis je dovolj strašljivo s srčnim spodbujevalnikom, vendar postane res grozljivo, ko pomislite na to, da bi napadalec lahko brez dovoljenja (potencialno) opil v vaši glavi.

Znanstveniki, ki delajo na teh terapijah, se teh vprašanj ne zavedajo. Karl Deisseroth je v istem omenjenem intervjuju navedel isto točko:

"Specifičnost optogenetike postavlja vprašanje, kako natančno bi lahko ukrotili možgane, da bi resnično ustvarili posameznika z različnimi potrebami, željami, prednostnimi nalogami, občutki […] obstaja tudi moteč vidik, ki odpira vprašanja brezplačno volja."

Kljub temu ti pomisleki bledijo v primerjavi z ogromnim številom ljudi, ki grozno trpijo zaradi trenutno nezdravljivih psihiatričnih bolezni, ki bi jim optogenetika lahko pomagala. Ta tehnologija je uporabnejša, kot je nevarna, in ker se razvija v naslednjih desetletjih, lahko korenito spremeni naravo terapije za duševno zdravje.

Kaj misliš? Strašno, kul, ali nekje vmes? Ali ima optogenetika možnost, da vam osebno pomaga? Sporočite nam v komentarjih!

Kreditna slika: Nevroni Via Shutterstock, "Aluminijasta folija," avtor Russ Walker