Kontrola mózgu za pomocą światła: jest to możliwe dzięki optogenetyce

Reklama

Naukowcy zajmujący się medycyną badają mózg od ponad pięciuset lat - a po całym tym enigmatycznym organie wciąż kryje się wiele tajemnic. Wreszcie, w ciągu ostatnich kilku lat pojawia się nowa technika zwana „optogenetyką”, która może pomóc naukowcom odkryć tajemnice mózgu (i leczyć jego zaburzenia) w zupełnie nowy sposób.

Dlaczego potrzebujemy optogenetyki?

Na wiele sposobów to niesamowite, że leki psychiatryczne w ogóle działają. Najnowocześniejsza technika - najlepsza współczesna nauka - pozwala zanurzyć mózg w kąpieli chemicznej i mieć nadzieję, że zrobi to, co nas interesuje. I… to trochę działa! Czasami.

Istnieją leki, które są bardzo silne w leczeniu depresji, ZO-K, choroby afektywnej dwubiegunowej i choroby Parkinsona. Często są one pełne nieprzyjemnych efektów ubocznych. Leki, które działają dobrze, często zostały odkryte jedynie metodą prób i błędów. W wielu przypadkach naukowcy nie mają szczegółowego zrozumienia, w jaki sposób mózg działa w celu osiągnięcia normalnej funkcji - ani w jaki sposób działa, gdy działa nieprawidłowo. Luki w wiedzy trudno jest uzupełnić tradycyjnymi metodami badania mózgu i ograniczają zdolność do opracowywania skutecznych terapii.

Tym, co naprawdę chcieliby psychiatrzy i neurolodzy, jest całkowity dostęp do odczytu i zapisu w mózgu: zdolność sięgania do czyjejś głowy i podniecenia lub tłumią dowolne grupy neuronów z rozdzielczością pojedynczego neuronu, pozwalając nam izolować populacje dysfunkcyjne i korygować ich zachowanie w czas rzeczywisty. Niestety pękanie czyjejś głowy i prowadzenie przewodów do każdego neuronu jest niepraktyczne.

Obietnica optogenetyki polega na tym, że może ona pozwolić lekarzom osiągnąć coś zbliżonego do tego rodzaju dostępu.

Jak naukowcy wykorzystują światło do kontrolowania mózgu

Oto, jak to działa: po pierwsze, badacze wstrzykują badanemu genetycznie zmodyfikowanym wirusem zaprojektowanym do infekowania tkanki mózgowej. Setki miliardów kopii wirusa zalewają mózg, wstrzykując ich ładunki do komórek nerwowych, gdy je napotykają.

Te wirusy nie są szkodliwe: zamiast dostarczać złośliwy, samoreplikujący się ładunek, wirusy te zostały zaprojektowane przez naukowcy dostarczą łagodną nić DNA, która koduje specjalne białka powierzchniowe, które reagują na określone długości fali światła. Wirusy służą po prostu jako jednorazowe strzykawki do dostarczania specjalnego DNA do komórek.

Neurony zawierają to specjalne DNA i, jeśli warunki są odpowiednie, wyrażają białka powierzchniowe, które powodują ich zapalenie po stymulacji światłem - te same rodzaje białek, które są wykorzystywane przez ludzkie komórki siatkówki do wykrywania światła i formowania się obrazy. Zmieniając DNA, aby był bardziej wyrazisty, gdy wyraża się, naukowcy mogą wybrać, które rodzaje neuronów (istnieją tysiące odmian) wyrażają białko powierzchniowe i będą reagować na światło.

Następnie, dokładnie kontrolując, gdzie światło pada na mózg, określone miejsca, które są stymulowane lub depresję można kontrolować z sub-milimetrową precyzją, stopniem kontroli, który nigdy wcześniej nie był możliwy. Co więcej, na wiele obszarów mózgu można wpływać bez konieczności przecinania lub przewijania drutów przez materię mózgową, co czyni procedurę znacznie bezpieczniejszą niż konwencjonalne formy stymulacji mózgu.

Według Eda Boydena, profesor bioinżynierii i neuronauki w MIT,

Jeśli potrafisz kontrolować komórki w mózgu, możesz dowiedzieć się, jaka jest ich moc, na co mogą wpływać - a także, jeśli możesz kontrolować komórki w mózgu, może naprawić nieprawidłowe stany mózgu i możesz stworzyć nowe rodzaje terapii, przeliczając obliczenia, które poszły nie tak w neurologii lub psychiatrii nieład

Poniżej możesz obejrzeć dość techniczny (ale niezwykle interesujący) wykład na temat technik i metodologii:

Co możesz zrobić z optyką?

Wyobraź sobie, że badacz chce lepiej zrozumieć, jak działa depresja. Badacz zbiera myszy z depresją (nie pytaj, jak badacze tworzą myszy z depresją, nie chcesz wiedzieć) i rozpoczyna testowanie.

Sprawdzają różne rodzaje neuronów i różne obszary mózgu i widzą, co się dzieje, gdy stymulujesz lub depresujesz te obszary i tego rodzaju neurony. Niektóre grupy eksperymentalne stają się szczęśliwsze - inne wpadają w depresję: większość nie. Poprzez zawężenie, które populacje są powiązane i jak wpływają na wynik, badacz powoli buduje głęboką, szczegółową mapę funkcjonalną mózgu: izolując machiny radości.

Jest to rodzaj eksperymentu, który umożliwia optogenetyka, i zapewnia naukowcom głębsze zrozumienie różnych funkcji umysłowych i sposobów, w jakie mogą pójść nie tak.

Już teraz optogenetyka doprowadziła do interesujących potencjalnych wglądów w halucynacje słuchowe schizofrenii. Według dr Karla Deisserotha z Uniwersytetu Stanforda, to teraz wydaje się prawdopodobne że głosy są w rzeczywistości normalnymi składnikami monologu wewnętrznego, błędnie interpretowanymi jako wpływ zewnętrzny.

„Może to być słabo rozpoznana wersja wewnętrznych myśli. W jakiś sposób informacja, że ​​myśl naprawdę pochodzi od samego siebie, została utracona. Jest postrzegany jako obca rzecz, mówiący głos. […] [Przed optogenetyką] nie było sposobu, aby to wiedzieć, ponieważ nie było sposobu selektywnej kontroli [komórek] we właściwej skali czasowej. ”

Tego rodzaju spostrzeżenia są naukowo ważne i mogą prowadzić do lepszych leków i terapii, a także do odpowiedzi na starożytne tajemnice o natura świadomości i inteligencji Myślące maszyny: czego neuronauka i sztuczna inteligencja mogą nas nauczyć o świadomościCzy budowanie sztucznie inteligentnych maszyn i oprogramowania może nas nauczyć o funkcjonowaniu świadomości i naturze samego ludzkiego umysłu? Czytaj więcej .

W niedalekiej przyszłości lekarze mogą uzyskać informacje uzyskane podczas tych eksperymentów, odwrócić je, i stosować optogenetykę u rzeczywistych pacjentów, aby wpływać na aktywność neurologiczną, do której się przyczyniają depresja. Optogenetyka pozwala lekarzom nie tylko badać mózg, ale także zmieniać go z dużo większą precyzją niż wcześniej było to możliwe.

Budowanie rozsądnego kapelusza

Niestety, prawdopodobnie nie można nieinwazyjnie stosować optogenetyki u ludzi. Czaszka jest po prostu zbyt gruba, dlatego konieczne jest przepuszczenie przez nią kabli światłowodowych. Jest to poważna operacja i wiąże się z nią ryzyko, wykraczające poza to, co zwykle wiąże się z rozpoczęciem leczenia lekami psychiatrycznymi.

Jednak omawiane terapie mogą być znacznie bardziej skuteczne i mieć mniej skutków ubocznych, więc prawdopodobnie będzie to opłacalne dla wielu pacjentów. Przeprowadzono już badania nad wykorzystaniem elektryczności rozruszniki mózgu w leczeniu ciężkiej depresji, a wyniki są bardzo obiecujące. Przyszłe terapie oparte na optogenetyce będą prawdopodobnie mniej inwazyjne i bardziej skuteczne: gdy mózg zostanie odpowiednio ustawiony kable światłowodowe, być może włożone przez nos, aby uniknąć złamania czaszki, resztę sprzętu można przechowywać na zewnątrz, aby ułatwić dostęp. Sam implant (kable światłowodowe i diody laserowe) potrzebowałby tylko zasilania i sygnału sterującego, co pewnego dnia może być dostarczone bezprzewodowo.

Resztę sprzętu (komputer, akumulator itp.) Można potencjalnie nosić na zewnątrz, co pozwoli lekarzowi pacjenta przeprogramować go w razie potrzeby, bez konieczności dodatkowej operacji.

Oprócz korygowania chorób psychicznych, optogenetyka zapewnia również znacznie bardziej biokompatybilny i mniej inwazyjny sposób bezpośredniego stymulują komórki nerwowe w mózgu i ciele niż konwencjonalne wszczepiane elektrody, które byłyby daleko w kierunku zrobienie implanty zwiększające wydajność w stylu transhumanistycznym Podłączanie mózgu i ciała - przyszłość implantowanych komputerówPrzy obecnym trendzie innowacji technicznych i postępu, teraz jest dobry czas, aby odkryć najnowocześniejsze technologie komputerowo-ludzkie. Czytaj więcej bardziej praktyczny.

Żeby było jasne, wszystko jest jeszcze daleko: optogenetyka jest obecnie szeroko stosowanym narzędziem badawczym (mamy obejmował eksperymenty z wykorzystaniem go wcześniej Eksperyment z pamięcią światła wpływa na mózg myszy jak neuronizer MIBPamiętasz, kiedy Smith i Tommy Lee Jones użyli neuronizera, aby wymazać ludzkie wspomnienia? Cóż, naukowcy z UC Davis z powodzeniem „wymazali określone wspomnienia” u myszy za pomocą światła. Czytaj więcej ). Jednak jego rola jako terapii klinicznej minęła co najmniej dekadę lub dwie i może zostać zastąpiona przez inne techniki, które mogą zapewnić podobne wyniki mniej inwazyjnie.

Perspektywa jest jednak ekscytująca, a niektóre aplikacje mogą pojawić się wcześniej. Na przykład tak jest możliwy używać optogenetyki do budowania lepszych implantów ślimakowych z dużo większą precyzją.

Czy to nie jest naprawdę przerażające?

Niektórzy z was, którzy to czytacie, już zaciągacie ciasno czapki z folii blaszanej wokół uszu, i to całkowicie uczciwe: ten rodzaj dostępu do mózgu jest niespotykany, poza pewną marką histerycznej nauki fikcja. Potencjalne nadużycia warto przynajmniej omówić.

Jeśli potrafisz sprawować wystarczającą kontrolę nad mózgiem, aby naprawić depresję, schizofrenię i zaburzenia osobowości, możesz to zrobić mieć także wystarczającą kontrolę, aby przeprogramować czyjąś orientację seksualną - lub lobotomizować hałaśliwe dzieci i więźniowie. Ryzyko, że rodzice spróbują użyć takiej technologii, aby wymusić na swoich dzieciach zmianę tożsamości taki, który rodzi zupełnie nowe obawy etyczne, z którymi medycyna będzie musiała się zmierzyć po raz pierwszy zawsze.

Poza tym, z prostej perspektywy bezpieczeństwa komputerowego, wiele nowoczesnych urządzeń medycznych po prostu nie jest wystarczająco bezpiecznych i może zostać zhakowanych, w niektórych przypadkach bezprzewodowo. Tego rodzaju kompromis jest wystarczająco przerażające z rozrusznikiem serca, ale robi się naprawdę przerażający, gdy weźmie się pod uwagę perspektywę, że osoba atakująca może (potencjalnie) małpować w twojej głowie bez pozwolenia.

Naukowcy pracujący nad tymi terapiami nie są nieświadomi tych problemów. Karl Deisseroth, w tym samym wywiadzie cytowanym powyżej, podniósł ten sam punkt:

„Specyfika optogenetyki rodzi pytanie, jak dokładnie można dostroić mózg, aby naprawdę stworzyć jednostkę z różnymi potrzebami, pragnieniami, priorytetami, uczuciami […] jest również niepokojący aspekt, który rodzi pytania o swobodę Wola."

Obawy te są jednak blade w porównaniu z ogromną liczbą osób cierpiących strasznie z powodu obecnie nieuleczalnych chorób psychiatrycznych, które może pomóc optogenetyka. Technologia ta jest bardziej użyteczna niż niebezpieczna, a ponieważ będzie rozwijana przez kilka następnych dziesięcioleci, może radykalnie zmienić charakter terapii zdrowia psychicznego.

Co myślisz? Przerażające, fajne czy gdzieś pomiędzy? Czy optogenetyka może ci pomóc osobiście? Daj nam znać w komentarzach!

Źródło zdjęcia: Neurony Via Shutterstock, "Folią aluminiową," autor: Russ Walker