Godine 1979. Francis Crick, poznat po otkriću strukture DNK, objavio je članak u časopisu Scientific American gdje je predočio svoju listu želja o tehnikama potrebnim za fundamentalno unapređenje razumijevanja obrade informacija u mozgu. Visoko na njegovoj listi našla se i metoda uspostavljanja kontrole nad specifičnom vrstom neurona dok bi, kako je napisao, ‘’ostale ćelije ostale manje ili više neizmjenjene.” Materijalizacija ove Crick-ove vizije targetovanja neurona počela je tokom nekoliko proteklih godina sofisticiranom kombinacijom fiber optike i genetičkog inženjeringa. Napredna tehnika poznata kao optogenetika još više dobija na popularnosti zbog posebne sposobnosti da utiče na ponašanje životinja.

Kontrola mozga pomoću svjetlosti? Biologija              Kontrola mozga pomoću svjetlosti? Biologija

Sl.1. Karl Deisseroth                 Sl.2. Eksperimentalna životinja

Karl Deisseroth, najistaknutije ime u ovoj oblasti, u svojoj naučnoj biografiji naglašava: ,,Moj rad je fokusiran na razvoju i primjeni metoda za izučavanje intaktnih bioloških sistema sa finom prostorno-vremenskom rezolucijiom i visoko-molekularnom i genetskom specifičnošću. Pri razvoju optogenetike od 2004. do 2013. godine, moj tim je integrisao genetiku i optiku kako bi omogućio eksperimentalni dobitak ili gubitak funkcije dobro definisanih događaja u specifičnim tipovima ćelija u okviru intaktnih sistema, koristeći gene uzete od evolutivno udaljenih organizama kao što su alge i arhebakterije. Od moje transdukcije mikrobijalnih opsina u neurone 2004-te godine, aplikacija moje metode je proširena sa bazičnog rada na motivacionom ponašanju i fokusirana na bolesti poput Parkinsonizma, anksioznosti, socijalne disfunkcije, depresije, i drugih neuropsihijatrijskih oboljenja.” I zaista optogenetika se javlja kao najvažnija nova tehnologija za sticanje uvida u izuzetnu složenost neuronskih puteva sisarskog mozga a već je postavila tragove za otkriće načina na koji pogrešno povezivanje neurona stvara podlogu za razvoj različitih neuroloških i mentalnih poremećaja. Umjesto posmatranja djelovanja lijeka ili implantacije elektroda, optogenetika dovodi istraživače bliže fundamentalnim uzrocima ponašanja.

Prvi eksperiment, o kome govori Deisseroth a koji je pobudio veliko interesovanje neuronaučnika, izveden 2004. godine u saradnji sa kolegama sa Stanford Univerziteta i Max Planc Instituta za Biofiziku u Frankfurtu, pokazao je kako virus može biti upotrebljen da se u specifičan set neurona prenese gen za protein osjetljiv na svjetlost pod imenom channelrhodopsin-2. Ovako opremljeni neuroni (genom preuzetim od jezerskih algi) izloženi svjetlosti emituju nervne signale.

Kontrola mozga pomoću svjetlosti? Biologija

Sl.3. Aktivacija Chanelrhodopsin-2 u nervinm ćelijama plavom svjetlošću

Princip optogenetike?

Kao što je prethodno rečeno, ova tehnika koristi prednost proteina tzv. jonskih kanala koje nalazimo u algama a koji konformacionom promjenom odgovaraju na svjetlost određene talasne dužine, otvaranjem kanala, propuštajući time različite jone (poput jona natrijuma i kalijuma) da prođu u ili iz ćelije (Slika 3.). Upravo taj protok jona predstavlja sistem pomoću koga se vrši kondukcija električnih nervnih impulsa. Gen koji kodira ove proteine, poznate kao channelrhodopsini, pomoću virusa se transdukuje u željeni set nervnih ćelija. Ove ćelije na taj način stiču novu sposobnost ekspresijom samog gena – postaju reaktivne na svjetlost a pri njihovom izlaganju svjetlosti određene talasne dužine dolazi do formiranja akcionog potencijala. Takođe postoje i kanal-rodopsini koji izloženi dejstvu svjetlosti mogu da “utišaju” neurone. Da bi se, pak, aktivirali opsini u Deisseroth-ovoj laboratoriji povezali su laserske diode sa tankim fiber-optičkim kablom koje dopire do najdubljih moždanih struktura (Slika 4.) Ovako se može manipulisati samo jednim subsetom jednog tipa neurona ili kontrolisati kružni put između grupa selektovanih neurona, recimo, između limbičkog sistema i ostalih neurona u sklopu moždanog korteksa.

Kontrola mozga pomoću svjetlosti? Biologija

Sl.4. 5 koraka do optogenetike

Najviše, ipak, osvajaju eksperimenti koji su pokazali značaj optogenetike, kako u osnovama nauke, tako i u medicini.

Na sastanku Udruženja Neuronaučnika u Čikagu, oktobra 2010. godine, Michel Hausser sa Univerzitetskog Koledža u Londonu govorio je o eksperimentu u oblasti optogenetike koji je pokazao kako 100 neurona može da aktivira memoriju pohranjenu u mnogo većoj grupaciji, od oko 100,000 neurona, predlažući da bi tehnika mogla da potpomogne razumijevanju formiranja memorije. Takođe, Deisseroth-ova grupa je objavila optogenetski eksperiment koji dovodi u pitanje vodeću teoriju upotrebe elektroda radi aktivacije zone poznate kao subtalamičko jedro. Umjesto ugradnje elektroda duboko u mozak, djeluje se optogenetski na neurone u okviru motornog korteksa čiji aksoni dopiru do subtalamičkog jedra.

Lako je zaključiti da sa pojavom ove tehnike jedna stavka na Crick-ovoj listi može biti precrtana jer je pokazano kako postoji mogućnost da se aktiviraju ili ugase izabrani neuroni (a njihovi susjedi ostanu intaktni) u samo nekoliko milisekundi. Od tada je na stotine laboratorija širom svijeta usvojilo Deisseroth-ovu tehniku.

 

Priredila: Tijana Pejatović

http://naucnenovosti.me/wp-content/uploads/2014/02/mis.jpghttp://naucnenovosti.me/wp-content/uploads/2014/02/mis-150x150.jpgadminBiologijaKontrola mozgaGodine 1979. Francis Crick, poznat po otkriću strukture DNK, objavio je članak u časopisu Scientific American gdje je predočio svoju listu želja o tehnikama potrebnim za fundamentalno unapređenje razumijevanja obrade informacija u mozgu. Visoko na njegovoj listi našla se i metoda uspostavljanja kontrole nad specifičnom vrstom neurona dok bi,...Kontrola mozga pomoću svjetlosti? Biologija
IASTE Crna Gora