Mokslininkai išmoko įjungti ir išjungti neuronus: už atradimą - Nobelio premija

Kas bendro tarp vienaląsčių dumblių ir žmogaus smegenų? Pasirodo, kur kas daugiau, nei galėtume pagalvoti. Būtent šių paprastų organizmų tyrimai prisidėjo prie vieno reikšmingiausių pastarųjų dešimtmečių neuromokslų proveržių, už kurį šiemet skirta Nobelio fiziologijos arba medicinos premija.

Nuotraukos šaltinis: AI generated

Optogenetika vadinamas metodas pakeitė mokslininkų galimybes tyrinėti smegenis ir padėjo priartėti prie atsakymų į klausimus, kaip atsiranda mūsų prisiminimai, emocijos ar tam tikros elgesio reakcijos. Tačiau ar šis atradimas ateityje galėtų pakeisti ir neurologinių bei psichikos sutrikimų gydymą?

Smegenų tyrimų ribas peržengęs atradimas

Kauno technologijos universiteto Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (KTU MGMF) neuromokslininkės Karolinos Armonaitės teigimu, nors šiandien turime daug būdų smegenų veiklai stebėti, pavyzdžiui, magnetinio rezonanso tomografiją, elektroencefalografiją, magnetoencefalografiją ar pozitronų emisijos tomografiją, šiais metodais dažniausiai registruojamas didelių smegenų ląstelių (neuronų) grupių aktyvumas. Jis stebimas tiek ramybės būsenoje, tiek atliekant tam tikras užduotis.

„Žmogaus smegenyse atskirų neuronų ar nedidelių jų grupių aktyvumą galime registruoti tik išskirtiniais klinikiniais atvejais, pavyzdžiui, gydant epilepsiją. Todėl, norint išsamiau suprasti, kaip sudaryti neuronų tinklai ir kaip konkrečios jų dalys reaguoja į įvairius dirgiklius, dažnai naudojami gyvūnų modeliai“, – aiškina ji.

Vis dėlto gyvūnas negali išsamiai papasakoti, ką jaučia, patiria ar prisimena, todėl vien pasyviai stebint jo smegenų aktyvumą sunku nustatyti priežastinius ryšius. Būtent čia optogenetika tapo esminiu proveržiu. Ji leidžia šviesa labai tiksliai aktyvinti arba slopinti pasirinktas neuronų grupes ir stebėti, kaip dėl to keičiasi kitų smegenų sričių veikla, neuronų tinklų dinamika bei gyvūno elgesys.

Neuronus įjungti ir išjungti leidžianti šviesa

Optogenetikos metodas sujungia dvi technologijas: genetika naudojama tam, kad tik pasirinktos nervinės ląstelės taptų jautrios šviesai, o optika – kad jų aktyvumas būtų valdomas šviesos impulsais.

Mokslininkai pastebėjo, kad vienaląsčių dumblių ląstelėse yra šviesai jautrių baltymų. Sugėręs tam tikro bangos ilgio šviesą, toks baltymas pakeičia savo struktūrą ir atveria ląstelės membranoje esantį jonų kanalą. Tuomet per membraną pradeda judėti jonai ir pakinta ląstelės elektrinis aktyvumas.

Šių metų Nobelio premijos laureatai Peteris Hegemannas ir Georgas Nagelis atrado bei ištyrė šių baltymų savybes, o Karlas Deisserothas pritaikė juos nervinių ląstelių aktyvumui valdyti.

„Pasitelkiant genetinius metodus, šviesai jautrų baltymą koduojantis genas įterpiamas į pasirinktas gyvos pelės nervines ląsteles. Tuomet, nukreipus tam tikro bangos ilgio šviesą į atitinkamą gyvūno smegenų sritį, šias ląsteles galima labai greitai aktyvinti arba slopinti, vaizdžiai tariant, įjungti arba išjungti“, – pasakoja KTU neuromokslininkė.

Smegenų veiklą galima valdyti milisekundžių tikslumu

Pasak K. Armonaitės, vien stebint smegenų aktyvumą dažniausiai galima nustatyti tik sąsajas – tai, kad tam tikri neuronai suaktyvėja atliekant konkretų veiksmą, dar nereiškia, jog būtent jie tą veiksmą sukelia.

„Optogenetika suteikė galimybę pereiti nuo stebėjimo prie kontroliuojamo eksperimento. Mokslininkai gali tiksliai aktyvinti arba slopinti pasirinktą neuronų grupę ir stebėti, ar dėl to pasikeičia gyvūno elgesys, atmintis, emocinė reakcija arba kitų smegenų sričių aktyvumas. Taip galima nustatyti ne tik koreliacinius, bet ir priežastinius ryšius, pavyzdžiui, patikrinti, kurie neuronai yra būtini arba kurių pakanka konkrečiai funkcijai sukelti“, – sako ji.

Be to, optogenetika leidžia neuronus valdyti milisekundžių tikslumu, artimu natūralių nervinių impulsų trukmei. Todėl galima tirti ne tik tai, kurie neuronai dalyvauja procese, bet ir kada, kokia seka bei kokiu ritmu jie turi suaktyvėti.

Baimė, atmintis ir ligos – neuronų grandinėse

Optogenetika leido mokslininkams daug tiksliau atsakyti į klausimą, kurios neuronų grandinės formuoja prisiminimus, inicijuoja judesius, reguliuoja miegą, alkį, motyvaciją ar baimės reakcijas.

„Vienas tokių pavyzdžių – baimės prisiminimų tyrimai su pelėmis. Pelė buvo perkelta į tam tikrą aplinką, kurioje patyrė silpną elektros impulsą. Tuo metu mokslininkai pažymėjo hipokampo neuronus, kurie buvo aktyvūs formuojantis šiam nemaloniam prisiminimui. Vėliau pelė buvo perkelta į visiškai saugią aplinką, o tie patys neuronai aktyvinti taikant optogenetiką“, – pasakoja KTU neuromokslininkė.

Nors elektros impulso nebebuvo, pelė vis tiek sustingo – pasireiškė būdinga baimės reakcija. Taip buvo įrodyta, kad šių konkrečių neuronų aktyvinimo pakanka baimės prisiminimui sužadinti. Vien stebint smegenų aktyvumą, be optogenetikos, būtų galima pasakyti tik tiek, kad šie neuronai suaktyvėja esant pavojui.

Tokie eksperimentai padeda ne tik geriau suprasti smegenų veiklą, bet ir atskleisti neurologinių bei psichikos sutrikimų mechanizmus.

„Optogenetika leidžia nustatyti, kurios konkrečios neuronų grandinės prisideda prie ligos simptomų. Pavyzdžiui, gyvūnų modeliuose, t. y. eksperimentuose su pelėmis, kurioms dirbtinai sukeliami tam tikrų ligų simptomai, aktyvinant arba slopinant tam tikrus neuronus pavyko sumažinti Parkinsono ligai būdingus judėjimo sutrikimus, epilepsijos priepuolius ar su depresija susijusį elgesį. Šie tyrimai parodė, kad minėti sutrikimai susiję ne tik su atskirų smegenų sričių pažeidimais, bet ir su pakitusia konkrečių neuronų tinklų veikla“, – aiškina K. Armonaitė.

Ar ateityje smegenų ligas gydysime šviesa?

KTU mokslininkė pabrėžia, kad optogenetika kol kas daugiausia naudojama kaip tyrimų priemonė laboratorijose su gyvūnų modeliais. Žmonių smegenų ligoms gydyti ji dar netaikoma, nes šį metodą sudėtinga ir rizikinga pritaikyti žmogaus smegenyse.

„Pirmiausia reikėtų saugiai ir tiksliai įterpti šviesai jautrius baltymus koduojančius genus tik į pasirinktus neuronus. Be to, šviesa sunkiai prasiskverbia per smegenų audinį, todėl giliosioms struktūroms pasiekti tektų chirurginiu būdu implantuoti optines skaidulas“, – aiškina ji.

Žmogaus smegenys taip pat yra daug didesnės ir sudėtingesnės nei laboratorinių gyvūnų, todėl būtina užtikrinti, kad paveikus vieną neuronų grandinę nebūtų netikėtai sutrikdytos kitos funkcijos. Kol nėra užtikrinta, kad ilgainiui tokie pakeitimai nepakenks žmogaus sveikatai, šio metodo taikymas klinikinėje praktikoje išlieka ribotas.

Vis dėlto šiuo metu pažangiausi klinikiniai tyrimai vykdomi gydant tinklainės ligas, nes akies nervines ląsteles šviesa pasiekia lengviau.

„Optogenetikos tyrimuose sukauptos žinios gali būti panaudotos kuriant tikslesnius vaistus, tobulinant giliosios smegenų stimuliacijos ir kitus neuromoduliacijos metodus. Regėjimo atkūrimo tyrimai rodo, kad klinikinis optogenetikos taikymas jau pradeda tapti realybe“, – teigia K. Armonaitė.

• Techninių įgūdžių negana: kaip darbdaviui pamatyti tai, ko neparodo CV?
• Pašto dėžutėje – banko kortelė jūsų vardu: nauja sukčiavimo schema.
• II pakopos lėšas atsiėmę gyventojai jų įdarbinti neskuba.
• Saugumo jausmas gali klaidinti: įspėja dėl dažnai nuvertinamų rizikų namuose.
• Paspirtuko sukelta trauma: koma ir neurochirurgų darbas, sugrąžinęs į gyvenimą.
• Kodėl privataus detektyvo paslaugų kainos gali labai skirtis?
• Ką pagaminti iš makaronų? Trys nebrangios idėjos jaukiam rudens savaitgaliui.
• Energijos rijikas namuose gali būti ne senas prietaisas, o jo nustatymas.
• VU chemikų sukurtas metodas gali paspartinti naujų vaistų kūrimą.
• VU Fizikos fakulteto mokslininkai siekia įminti perovskitų paslaptis.
• Dyzelinui brangstant: kiek galima sutaupyti važiuojant elektra?
• Lietuva užsitikrino JAV dujų tiekimą dešimtmečiui: didesnis kainų stabilumas.
• Ką iš tiesų sako jūsų šuo? Mokslininkas apie DI bandymus iššifruoti gyvūnų kalbą.
• Atsistojus tenka įsikibti, nes aptemsta akyse? Šio simptomo nereikėtų ignoruoti.
• DI bumas toliau brangina IT infrastruktūrą: kainos per metus šoktelėjo.
• Prezidentas: JAV kariai jau pakeliui į Lietuvą.
• Tekste nėra nė vieno žodžio. Ką jame perskaito vaikai?
• Elektriniai paspirtukai mieste: ko reikia, kad visi jaustumės saugesni?
• RRT: Telecentras turės grąžinti LRT 651 tūkst. eurų permoką.
• Tarp darbuotojų ryškėja atskirtis: kokių įgūdžių prireiks norint neatsilikti?
• Ukmergės gamykla ruošiasi auginti komandą iki 400 žmonių.
• Nelegalus darbas statybų sektoriuje: individualios veiklos pažyma neapsaugo.
• Atrodė puikiai, kol neišvažiavo į kelią: ką gali slėpti stovėjęs automobilis?
• Darbo skelbimo nebeužtenka: kas veikia ieškant specialistų.
• Vaikas išvėmė vaistus: sugirdyti dozę dar kartą ar laukti kito vartojimo?
• Rusijos GPS trikdžiams suvaldyti „Bitė“ įsigijo atominį laikrodį.
• „Nėra ką valgyti“, nors šaldytuvas pilnas: kodėl taip nutinka ir ką daryti?
• Sukčiai apie jus gali žinoti daugiau, nei manote: įvardijo 5 pagrindines schemas.
• Verslo atsparumas „Dienai X“: nuo atsarginių kopijų iki veiklos tęstinumo.
• Kai vaikai moko senjorus, o senjorai – vaikus: skirtingos kartos kartu.
• Kodėl vaikas skriaudžia kitus?
• Pirmas nuosavas būstas: ką svarbu žinoti renkantis elektros tiekimo planą?
• Privačios gydymo įstaigos siekia toliau veikti su sistema.
• Jūsų televizorius – lyg meno kūrinys: profesionalus televizorių pakabinimas.
• DI asistentas jau gali atlikti veiksmus už jus: ekspertas įvardijo rizikas.
• Nauja šildymo sezono pradžios ir pabaigos tvarka: kokią teisę turi gyventojai?
• Kaip paruošti mėgstamus patiekalus be mėsos? Nustebins skonis ir žema kaina.
• Darbuotojai išeina ne dėl atlyginimo: priežastis – prastas vadovavimas.
• Kruasanai – ne tik pusryčiams: 5 idėjos, kurios padės šį kepinį atrasti iš naujo.
• Įrankis naujas, įpročiai seni: kodėl DI įdiegimas dar negarantuoja produktyvumo?

Šio sąrašo naujienos detaliau

Daugiau ankstesnių naujienų:  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117  118  119  120  121  122  123  124  125  126  127  128  129  130  131  132  133  134  135  136  137  138  139  140