Włącznik światła w mózgu. Nadzieja nie tylko dla chorych na Parkinsona i depresję

Metoda od lat pomaga naukowcom badać mózg. Teraz coraz częściej mówi się o jej możliwym zastosowaniu w leczeniu ślepoty, choroby Parkinsona czy zaburzeń psychicznych.

Trudno byłoby przewidzieć, dokąd doprowadzi badanie niewielkiego glonu. Chlamydomonas potrafi reagować na światło i kierować się w jego stronę. Naukowcy chcieli poznać stojący za tym mechanizm. Odkryli coś, co z czasem pozwoliło stworzyć biologiczny przełącznik dla komórek nerwowych.

W Sztokholmie 5 października ogłoszono tegorocznych laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. Peter Hegemann i Georg Nagel skupili się na Chlamydomonas – jednokomórkowym glonie, który reaguje na światło. Badali białka znajdujące się w jego błonie komórkowej i to właśnie one okazały się kluczem do dalszych odkryć.

Naukowcy odkryli kanałorodopsyny. To światłoczułe białka, które po oświetleniu otwierają kanały w błonie komórkowej. Przepływ jonów zmienia elektryczne właściwości komórki. Właśnie ten mechanizm okazał się kluczowy. Skoro białko reagujące na światło można wprowadzić do innej komórki, można też sprawić, że zacznie ona odpowiadać na światło.

Na tym odkryciu pracę rozwinął Karl Deisseroth. Wprowadził gen kodujący kanałorodopsynę do neuronów. Komórki nerwowe, które wcześniej nie reagowały bezpośrednio na światło, zyskały w ten sposób swoisty biologiczny przełącznik.

W 2005 r. Deisseroth i jego współpracownicy pokazali, że światłem można wywoływać aktywność neuronów. Dwa lata później podobną technikę zastosowali w mózgach żywych myszy. Tak narodziła się optogenetyka. Jej siłą jest przede wszystkim precyzja. Wcześniejsze metody pozwalały obserwować pracę mózgu albo pobudzać większe jego obszary. Trudniej było ustalić, czy za konkretne zachowanie odpowiada określona grupa neuronów.

Optogenetyka pozwoliła podejść do tego problemu inaczej. Naukowcy mogą sprawić, że światłoczułe staną się tylko wybrane komórki. Potem wystarczy skierować światło w odpowiednie miejsce. W badaniach na zwierzętach wykorzystuje się do tego m.in. bardzo cienkie włókna światłowodowe. Po ich uruchomieniu aktywują się neurony wyposażone w światłoczułe białko. Pozostałe komórki nie reagują.

Dzięki temu można badać obwody odpowiedzialne za pamięć, emocje, ruch czy zachowanie. W jednym z eksperymentów naukowcy oznaczyli neurony aktywne podczas wywoływania u myszy wspomnienia związanego ze strachem. Później pobudzili te same komórki światłem. Zwierzę ponownie zareagowało lękiem. To ważna różnica. Badacze mogą nie tylko obserwować pracę mózgu, ale również sprawdzać, czy aktywność konkretnych neuronów rzeczywiście powoduje określoną reakcję.

Naukowcy liczą, że optogenetyka pomoże także w leczeniu utraty wzroku. Jednym z badanych kierunków jest retinitis pigmentosa, w której stopniowo giną pręciki i czopki. Pozostałe komórki siatkówki mogą jednak nadal funkcjonować.

Naukowcy próbują więc nadać ocalałym komórkom nową funkcję. Wprowadzają do nich gen kodujący światłoczułe białko. Dzięki temu komórki, które wcześniej nie wykrywały światła, mogą zacząć na nie reagować i przekazywać sygnał dalej. Nie oznacza to jednak prostego "włączenia wzroku". Badania kliniczne są na wczesnym etapie, a uzyskiwane widzenie może być bardzo ograniczone. Celem jest sprawdzenie, czy pozostałe komórki siatkówki można bezpiecznie wykorzystać do częściowego przywrócenia funkcji wzrokowych.

Badacze sprawdzają też, czy optogenetyka mogłaby poprawić działanie implantów ślimakowych. Zamiast pobudzać nerw słuchowy prądem, światło pozwalałoby precyzyjniej kierować sygnał do wybranych komórek.

Na celowniku badaczy znalazła się również choroba Parkinsona. Jej objawy są związane m.in. z nieprawidłowym działaniem obwodów nerwowych kontrolujących ruch. W leczeniu wykorzystuje się dziś głęboką stymulację mózgu, która pozwala za pomocą elektrod wpływać na aktywność wybranych struktur.

Optogenetyka daje możliwość znacznie dokładniejszego wskazania konkretnych populacji neuronów. Na razie pozostaje jednak przede wszystkim narzędziem badawczym. Nie jest standardową terapią Parkinsona, a naukowcy dopiero sprawdzają, czy jej precyzję można bezpiecznie wykorzystać u ludzi. Badania obejmują również inne choroby neurologiczne, w tym padaczkę.

Za pamięć, lęk, motywację i ruch odpowiadają całe sieci neuronów. Optogenetyka pozwala zajrzeć do nich znacznie dokładniej niż wcześniejsze metody. Naukowcy mogą aktywować wybrane komórki albo je wyciszać, a następnie obserwować skutki. W ten sposób badają obwody, których zaburzenia mogą mieć związek z chorobami mózgu i zaburzeniami psychicznymi.

Badania nad optogenetyką obejmują także depresję. Naukowcy przyglądają się obwodom mózgu związanym z nagrodą, motywacją, stresem i nastrojem. Na razie są to jednak głównie eksperymenty przedkliniczne. Do wykorzystania tej metody w leczeniu ludzi wciąż daleka droga. Optogenetyka znajduje zresztą zastosowanie nie tylko w badaniach mózgu. Naukowcy wykorzystują ją również do badania procesów zachodzących w innych komórkach, m.in. związanych z nowotworami i cukrzycą. Tegoroczny Nobel nie jest więc nagrodą za gotowy lek. To wyróżnienie dla technologii, która pozwoliła znacznie dokładniej badać działanie żywych komórek.

Jej historia dobrze pokazuje, jak nieprzewidywalna potrafi być nauka. Wszystko zaczęło się od pytania o glon podążający za światłem. Kilkanaście lat później ten sam mechanizm pozwala naukowcom manipulować aktywnością neuronów.

Od organizmu żyjącego w wodzie do badań nad ludzkim mózgiem droga okazała się zaskakująco krótka.