Μια τεχνολογία που επιτρέπει στους επιστήμονες να χειρίζονται τη δραστηριότητα συγκεκριμένων νευρικών κυττάρων χρησιμοποιώντας φως βρίσκεται στο επίκεντρο του φετινού Νόμπελ Ιατρικής και Φυσιολογίας.
Ο Καρλ Ντάισεροθ, ο Πέτερ Χέγκεμαν και ο Γκέοργκ Νάγκελ βραβεύτηκαν για τις ανακαλύψεις που έθεσαν τις βάσεις της οπτογενετικής, μιας τεχνικής που έδωσε στους νευροεπιστήμονες τη δυνατότητα να εξετάζουν τον εγκέφαλο με πρωτοφανή ακρίβεια.
Η βασική ιδέα είναι σχετικά απλή, αν και η εφαρμογή της είναι ιδιαίτερα σύνθετη. Ορισμένα κύτταρα τροποποιούνται γενετικά ώστε να παράγουν πρωτεΐνες που αντιδρούν στο φως. Στη συνέχεια, η έκθεση σε συγκεκριμένο μήκος κύματος μπορεί να αλλάξει την ηλεκτρική τους κατάσταση.
Έτσι, οι ερευνητές μπορούν να «ανάψουν» ή να «σβήσουν» τη δραστηριότητα επιλεγμένων νευρώνων, παρακολουθώντας παράλληλα τις επιπτώσεις που έχει αυτή η παρέμβαση.
Η αρχή έγινε με ένα πράσινο φύκι
Πίσω από αυτή την τεχνολογία βρίσκεται μια ανακάλυψη που ξεκίνησε από έναν πολύ διαφορετικό οργανισμό: το μονοκύτταρο πράσινο φύκι Chlamydomonas.
Ο Πέτερ Χέγκεμαν μελέτησε τον τρόπο με τον οποίο το φύκι αντιλαμβάνεται το φως και κινείται ως αντίδραση σε αυτό. Η έρευνα αποκάλυψε πρωτεΐνες που μπορούν να μετατρέπουν το φωτεινό ερέθισμα σε αλλαγή στη ροή ιόντων μέσα από την κυτταρική μεμβράνη.
Ο Γκέοργκ Νάγκελ συνέχισε την έρευνα και έδειξε ότι οι σχετικές πρωτεΐνες μπορούσαν να μεταφερθούν και σε άλλα κύτταρα. Η ανακάλυψη της channelrhodopsin-2 αποτέλεσε καθοριστικό σημείο για την εξέλιξη της τεχνικής.
Στις αρχές της δεκαετίας του 2000 έγινε σαφές ότι οι φωτοευαίσθητες αυτές πρωτεΐνες μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν και σε κύτταρα θηλαστικών.
Το επόμενο μεγάλο βήμα ήρθε από τον Καρλ Ντάισεροθ. Το 2005 απέδειξε ότι η συγκεκριμένη προσέγγιση μπορούσε να εφαρμοστεί σε νευρώνες και να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της ηλεκτρικής τους δραστηριότητας. Λίγο αργότερα, η νέα τεχνική άρχισε να γίνεται γνωστή ως οπτογενετική.
Γιατί θεωρείται τόσο σημαντική
Η αξία της οπτογενετικής βρίσκεται κυρίως στην ακρίβειά της.
Ο εγκέφαλος αποτελείται από τεράστιο αριθμό νευρώνων που συμμετέχουν σε διαφορετικά κυκλώματα. Όταν ενεργοποιείται μια ολόκληρη περιοχή, είναι δύσκολο να διαπιστωθεί ποια ακριβώς κύτταρα ευθύνονται για μια συγκεκριμένη λειτουργία.
Με την οπτογενετική, οι επιστήμονες μπορούν να στοχεύσουν συγκεκριμένους πληθυσμούς νευρώνων και να παρέμβουν στη λειτουργία τους σε εξαιρετικά μικρή χρονική κλίμακα.
Αυτό επιτρέπει τη μελέτη της σχέσης μεταξύ νευρωνικής δραστηριότητας και συμπεριφοράς. Για παράδειγμα, η τεχνική έχει χρησιμοποιηθεί σε πειράματα σε ζώα για την ενεργοποίηση νευρώνων που σχετίζονται με την κίνηση, αλλά και για τη μελέτη μηχανισμών που συνδέονται με τον ύπνο και την εγρήγορση.
Με άλλα λόγια, η έρευνα δεν περιορίζεται πλέον στην παρατήρηση του εγκεφάλου. Οι επιστήμονες μπορούν να τροποποιούν στοχευμένα τη δραστηριότητα ενός κυκλώματος και να εξετάζουν άμεσα το αποτέλεσμα.
Τα πρώτα βήματα στον άνθρωπο
Η οπτογενετική παραμένει κυρίως ερευνητική τεχνολογία και δεν αποτελεί σήμερα καθιερωμένη θεραπεία για τις περισσότερες νευρολογικές ή ψυχιατρικές παθήσεις.
Υπάρχουν, ωστόσο, ήδη πειραματικές εφαρμογές στον άνθρωπο. Μία από τις πιο χαρακτηριστικές αφορά την όραση.
Σε περίπτωση ασθενούς με σοβαρή μελαγχρωστική αμφιβληστροειδοπάθεια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν γονιδιακή θεραπεία ώστε συγκεκριμένα κύτταρα του αμφιβληστροειδούς να αποκτήσουν φωτοευαισθησία. Παράλληλα, ειδικά γυαλιά μετέτρεπαν τις εικόνες του περιβάλλοντος σε φωτεινά ερεθίσματα.
Το αποτέλεσμα ήταν μερική αποκατάσταση της οπτικής λειτουργίας, γεγονός που έδειξε ότι η τεχνολογία μπορεί να περάσει, υπό συγκεκριμένες προϋποθέσεις, από το εργαστήριο σε πειραματικές εφαρμογές στον άνθρωπο.
Η αξιοποίηση της οπτογενετικής στον εγκέφαλο εξακολουθεί να αντιμετωπίζει σημαντικές δυσκολίες. Χρειάζεται ασφαλής γενετική τροποποίηση των κατάλληλων κυττάρων, ακριβής στόχευση και τρόπος μεταφοράς του φωτός στο σημείο όπου απαιτείται.
Παρά τα εμπόδια, η τεχνολογία έχει ήδη αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες μελετούν το νευρικό σύστημα, προσφέροντας ένα εργαλείο που συνδέει τη γενετική με την ακρίβεια του φωτός.