Νόμπελ Ιατρικής: Η τεχνική που επιτρέπει στους επιστήμονες να «ανάβουν» και να «σβήνουν» νευρώνες

Πελοπόννησος Newsroom

Μια τεχνική που επιτρέπει στους επιστήμονες να ενεργοποιούν ή να αναστέλλουν με εξαιρετική ακρίβεια τη δραστηριότητα συγκεκριμένων νευρικών κυττάρων χρησιμοποιώντας φως βρίσκεται πίσω από το φετινό Νόμπελ Ιατρικής και Φυσιολογίας.

Το βραβείο απονεμήθηκε στον Αμερικανό Καρλ Ντάισεροθ και στους Γερμανούς Πέτερ Χέγκεμαν και Γκέοργκ Νάγκελ, για τις ανακαλύψεις τους σχετικά με τα φωτοενεργοποιούμενα ιοντικά κανάλια και την ανάπτυξη της οπτογενετικής.

Η συγκεκριμένη μέθοδος έχει αλλάξει σημαντικά τη νευροεπιστήμη, καθώς επιτρέπει στους ερευνητές όχι μόνο να παρατηρούν ποια κυκλώματα του εγκεφάλου ενεργοποιούνται, αλλά και να εξετάζουν εάν η ενεργοποίηση συγκεκριμένων νευρώνων προκαλεί μια λειτουργία ή συμπεριφορά.

Πώς λειτουργεί

Η οπτογενετική συνδυάζει τη γενετική τροποποίηση με το φως. Οι επιστήμονες τροποποιούν επιλεγμένα κύτταρα, κυρίως νευρώνες, ώστε να παράγουν ειδικές φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες.

Οι πρωτεΐνες αυτές ενσωματώνονται στην κυτταρική μεμβράνη και επιτρέπουν στο κύτταρο να ανταποκρίνεται σε συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός. Με αυτόν τον τρόπο, μια δέσμη φωτός μπορεί να λειτουργήσει ουσιαστικά σαν ένας βιολογικός διακόπτης, ενεργοποιώντας ή καταστέλλοντας τη δραστηριότητα συγκεκριμένων νευρώνων.

Στην καρδιά της τεχνικής βρίσκονται πρωτεΐνες όπως οι καναλοροδοψίνες, οι οποίες προέρχονται από μικροοργανισμούς, μεταξύ των οποίων και πράσινα φύκη. Όταν εκτίθενται σε συγκεκριμένο φως, μεταβάλλουν τη διαπερατότητα της κυτταρικής μεμβράνης στα ιόντα. Αυτό μπορεί να προκαλέσει ηλεκτρική διέγερση και να οδηγήσει στη δημιουργία νευρικής ώσης.

Άλλες φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν αντίθετα για την καταστολή της ηλεκτρικής δραστηριότητας.

Από τα φύκια στον εγκέφαλο

Η ιστορία ξεκινά στις αρχές της δεκαετίας του 1990, όταν ο Πέτερ Χέγκεμαν μελετούσε τον τρόπο με τον οποίο το μονοκύτταρο πράσινο φύκι Chlamydomonas αντιδρά στο φως.

Η έρευνα οδήγησε στην υπόθεση ότι μια πρωτεΐνη θα μπορούσε να ανιχνεύει το φως και ταυτόχρονα να λειτουργεί ως ιοντικό κανάλι.

Ο Γκέοργκ Νάγκελ συνέχισε την έρευνα, εισάγοντας γονίδια του Chlamydomonas σε άλλα κύτταρα. Έτσι εντοπίστηκε η channelrhodopsin-2 (ChR2), ένα φωτοευαίσθητο ιοντικό κανάλι.

Το 2003 οι ερευνητές έδειξαν ότι η πρωτεΐνη μπορούσε να εισαχθεί σε κύτταρα θηλαστικών και να χρησιμοποιηθεί το φως για την παραγωγή ηλεκτρικών σημάτων.

Η καθοριστική εξέλιξη ήρθε το 2005 από τον Καρλ Ντάισεροθ στο Πανεπιστήμιο Stanford. Ο Αμερικανός επιστήμονας απέδειξε ότι η ίδια αρχή μπορούσε να εφαρμοστεί σε νευρικά κύτταρα θηλαστικών, επιτρέποντας τον έλεγχο της ηλεκτρικής τους δραστηριότητας μέσω φωτός.

Έναν χρόνο αργότερα καθιερώθηκε ο όρος οπτογενετική για τη συγκεκριμένη προσέγγιση.

Έλεγχος των νευρωνικών κυκλωμάτων

Η μεγάλη δύναμη της οπτογενετικής βρίσκεται στην ακρίβειά της. Σε αντίθεση με μεθόδους που επηρεάζουν μια ολόκληρη περιοχή του εγκεφάλου, οι ερευνητές μπορούν να στοχεύσουν συγκεκριμένους τύπους νευρώνων και να μεταβάλουν τη δραστηριότητά τους σε χρονικό διάστημα ακόμη και χιλιοστών του δευτερολέπτου.

Έτσι μπορούν να μελετήσουν με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια τη σχέση ανάμεσα σε συγκεκριμένα νευρωνικά κυκλώματα και λειτουργίες όπως η κίνηση, η εγρήγορση, ο ύπνος ή η συμπεριφορά.

Ο Ντάισεροθ, μεταξύ άλλων, χρησιμοποίησε την τεχνική σε πειράματα με ποντίκια για να ελέγξει κινήσεις μέσω της ενεργοποίησης νευρώνων στον κινητικό φλοιό, αλλά και για να μελετήσει κυκλώματα που συνδέονται με την εγρήγορση και τον ύπνο.

Μπορεί να χρησιμοποιηθεί στον άνθρωπο;

Παρά την τεράστια σημασία της για την έρευνα, η οπτογενετική δεν αποτελεί σήμερα καθιερωμένη θεραπεία για νευρολογικές ή ψυχιατρικές παθήσεις.

Η εφαρμογή της στον ανθρώπινο εγκέφαλο απαιτεί τη γενετική τροποποίηση συγκεκριμένων κυττάρων ώστε να γίνουν φωτοευαίσθητα, αλλά και έναν ασφαλή τρόπο μεταφοράς του φωτός στην κατάλληλη περιοχή.

Η ανάγκη γενετικής παρέμβασης, η περιορισμένη διείσδυση του φωτός στους ιστούς και η εξαιρετικά ακριβής στόχευση των νευρώνων αποτελούν σημαντικές προκλήσεις.

Υπάρχουν, ωστόσο, ήδη πειραματικές εφαρμογές σε ανθρώπους. Μία από τις πιο εντυπωσιακές αφορά την αποκατάσταση της όρασης.

Το 2021 ανακοινώθηκε ότι 58χρονος άνδρας με μελαγχρωστική αμφιβληστροειδοπάθεια ανέκτησε μέρος της οπτικής του λειτουργίας έπειτα από πειραματική οπτογενετική θεραπεία. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν τροποποιημένο ιό για να μεταφέρουν στα γαγγλιακά κύτταρα του αμφιβληστροειδούς τις οδηγίες παραγωγής μιας φωτοευαίσθητης πρωτεΐνης. Παράλληλα, ειδικά γυαλιά μετέτρεπαν τις εικόνες του περιβάλλοντος σε κατάλληλους φωτεινούς παλμούς.

Από την παρατήρηση στην αιτιότητα

Για δεκαετίες οι επιστήμονες μπορούσαν κυρίως να παρατηρούν ποιες περιοχές του εγκεφάλου συνδέονται με μια συγκεκριμένη λειτουργία ή να διεγείρουν σχετικά μεγάλες περιοχές χωρίς απόλυτη κυτταρική εξειδίκευση.

Η οπτογενετική πρόσθεσε μια κρίσιμη δυνατότητα: την επιλεκτική ενεργοποίηση ή αναστολή συγκεκριμένων νευρώνων με εξαιρετική χρονική ακρίβεια.

Με αυτόν τον τρόπο, οι νευροεπιστήμονες μπορούν να περάσουν από την απλή παρατήρηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας στη διερεύνηση σχέσεων αιτίου και αποτελέσματος. Και αυτή ακριβώς η δυνατότητα είναι που καθιστά την οπτογενετική μία από τις σημαντικότερες τεχνολογίες που έχουν αναπτυχθεί για τη σύγχρονη μελέτη του εγκεφάλου.

Η «Πελοπόννησος» και το pelop.gr σε ανοιχτή γραμμή με τον Πολίτη

Η φωνή σου έχει δύναμη – στείλε παράπονα, καταγγελίες ή ιδέες για τη γειτονιά σου.

Viber: +306909196125

Στείλε μήνυμα στο Viber

Ακολουθήστε μας για όλες τις ειδήσεις στο Bing News και το Google News