Откритие што звучи како научна фантастика: Со светлина активираат точно избрани неврони

Едно истражување за начинот на кој едноклеточна алга реагира на светлина на крајот доведе до технологија со која научниците можат прецизно да активираат или да ја потиснуваат активноста на одредени нервни клетки во мозокот. Откритието целосно го промени начинот на кој се истражуваат паметењето, емоциите и однесувањето, а денес отвора можности и за развој на нови медицински пристапи.

Токму за откривањето на јонските канали управувани со светлина и развојот на оптогенетиката, Нобеловата награда за физиологија или медицина за 2026 година ја добија Карл Дејсерот, Петер Хегеман и Георг Нагел. Тројцата научници ја делат наградата од 12 милиони шведски круни.

Нивното достигнување на научниците им даде нешто што претходно тешко можело да се постигне – можност со голема прецизност да изберат одредена група нервни клетки, да влијаат врз нивната активност и потоа да набљудуваат што се случува со однесувањето.

Тоа е особено важно при истражувањето на мозокот.

Современите методи можат да покажат кои делови од мозокот или кои нервни клетки стануваат активни кога човек или животно извршува одредена активност. Но, самото забележување дека некои клетки се активирале во одреден момент не докажува дека токму тие ја предизвикале конкретната реакција.

За да се утврди причинско-последична врска, потребно е научниците да можат директно да влијаат врз избраните клетки и да проверат дали со тоа ќе се промени и однесувањето.

Пред развојот на оптогенетиката тоа било многу потешко. Електричната стимулација може да влијае врз повеќе различни клетки во истото ткиво, додека лековите често дејствуваат премногу бавно за да може прецизно да се следи брзата комуникација меѓу невроните.

Решението пристигнало од сосема неочекувано место – од едноклеточна зелена алга.

Петер Хегеман истражувал како Chlamydomonas reinhardtii се ориентира кон светлината. За овој организам способноста да пронајде соодветна светлина е исклучително важна бидејќи енергијата ја добива преку фотосинтеза.

Во соработка со Георг Нагел, истражувањето довело до откривање на каналродопсините. Особено значаен станал протеинот каналродопсин-2, познат како ChR2, чии својства биле опишани во 2003 година.

Неговата посебност е во тоа што реагира на светлина и истовремено функционира како канал низ клеточната мембрана.

Кога протеинот ќе биде изложен на соодветна светлина, каналот се отвора и овозможува движење на позитивно наелектризирани јони. Со тоа се менува електричната состојба на клетката.

Следното големо прашање било дали механизмот што функционира кај алгата може да работи и во други клетки.

Експериментите покажале дека може.

Научниците успеале да ја внесат потребната генска инструкција во други клетки и тие почнале да го создаваат истиот светлочувствителен протеин. Тоа ја отворило можноста механизмот да се примени и врз нервните клетки.

Клучен чекор бил направен во 2005 година.

Истражувачите го внеле генот за ChR2 во култивирани неврони од цицачи. Клетките го создале протеинот и го вградиле во својата мембрана.

Кога невроните биле изложени на сина светлина, каналот се отворал и промената во движењето на јоните можела да предизвика нервен импулс. Со кратки светлосни сигнали истражувачите успеале да управуваат со активноста на невроните во временски интервали од милисекунди.

Така светлината практично станала прекинувач за одредени нервни клетки.

Сепак, светлината сама по себе не создава мисла, чувство или нервен импулс. Таа го активира светлочувствителниот протеин, а потоа природниот електричен механизам на клетката го создава одговорот.

Следниот предизвик бил истиот принцип да се примени во жив мозок.

Во 2007 година истражувачите покажале дека со оптичко влакно можат да донесат светлина до точно одредено мозочно подрачје и на тој начин да предизвикаат движење на мустаќите кај глушец.

Тоа бил важен момент бидејќи покажал дека технологијата може да поврзе активност на конкретни неврони со видлива промена во однесувањето.

Од тука произлегува и името оптогенетика – комбинација од генетско насочување и користење светлина.

Генетскиот дел од методот овозможува светлочувствителниот протеин да се создава токму во клетките што научниците сакаат да ги проучуваат, додека светлината одредува во кој момент тие клетки ќе бидат активирани.

Со понатамошниот развој станало можно невроните не само да се активираат, туку и да се „замолчат“.

Истражувачите почнале да користат и други светлочувствителни протеини, меѓу кои халородопсин, со кои може да се намали активноста на одредени нервни клетки.

Научниците така добиле исклучително моќна алатка. Ако активирањето на одредена група неврони предизвика конкретна реакција, може да се испитува дали нивната активност е доволна за таа реакција. Ако нивното исклучување ја спречи реакцијата, може дополнително да се истражува колку тие клетки се неопходни за целиот процес.

Една од највпечатливите примени на технологијата се однесува на паметењето.

Во истражување објавено во 2012 година биле означени неврони во хипокампусот на глувци кои биле активни при создавањето сеќавање поврзано со страв. Тие клетки потоа биле опремени со каналродопсин-2.

Кога подоцна научниците повторно ги активирале истите неврони со светлина, животните покажале однесување карактеристично за страв.

Тоа не значи дека научниците можат да „читаат мисли“ или дека пронашле едно конкретно место во мозокот во кое е сместен стравот. Експериментот, сепак, покажал дека повторното активирање на определена група клетки може да предизвика однесување поврзано со претходно научено искуство.

Токму тука се гледа огромното значење на оптогенетиката. Наместо само да набљудуваат што се случува во мозокот, истражувачите можат контролирано да интервенираат и потоа да го следат резултатот.

На тој начин постепено се открива кои нервни мрежи учествуваат во создавањето сеќавања, емоции и различни облици на однесување.

Но, можностите не завршуваат со основните истражувања на мозокот.

Една од најинтересните медицински примени се истражува во областа на видот.

Кај ретинитис пигментоза постепено пропаѓаат фоторецепторите во мрежницата, односно клетките што нормално ја претвораат светлината во нервен сигнал. Сепак, дел од другите клетки во системот можат да останат зачувани.

Идејата е тие преостанати клетки да се направат чувствителни на светлина со помош на соодветни протеини и на тој начин делумно да се заобиколи оштетениот почеток на визуелниот систем.

Во 2021 година беше објавен случај во кој кај слеп пациент била постигната делумна обнова на видната функција.

Со помош на вирусен вектор, во определени клетки на мрежницата била внесена генска инструкција за светлочувствителен протеин. Пациентот користел и специјални очила што информациите од околината ги претворале во светлосни импулси соодветни за активирање на третираните клетки.

Со третираното око и очилата пациентот можел да забележува, да лоцира и да брои одредени предмети. Без очилата не ја покажувал истата способност.

Резултатот бил важен доказ дека концептот може да функционира, но тоа не значи дека е пронајден универзален лек против слепилото. Станува збор за делумно обновена функција кај конкретен пациент, а разликата меѓу таквата способност и нормалниот вид останува огромна.

Истото ограничување важи и за потенцијалната употреба на оптогенетиката во други делови од нервниот систем.

Потребно е генетскиот материјал безбедно да стигне до вистинските клетки, светлочувствителниот протеин да функционира доволно долго, а светлината да може прецизно да се донесе до целното ткиво. Секоја потенцијална терапија затоа мора одделно да ја докаже својата безбедност и ефикасност.

Најголемото достигнување на оптогенетиката засега не е тоа што создала едно чудотворно лекување, туку што го променила начинот на кој науката го истражува мозокот.

Наместо само да гледа кои клетки се активираат, науката сега може да постави многу подиректно прашање: што ќе се случи ако токму овие неврони ги вклучиме или исклучиме?

Одговорите на таквите прашања помагаат подобро да се разбере како од активноста на милијарди нервни клетки произлегуваат движењето, паметењето, емоциите и однесувањето.

А почетокот на целата приказна бил многу поедноставен – научниците сакале да разберат како една мала зелена алга ја пронаоѓа светлината.

Неколку децении подоцна, механизмот што ѝ помага на алгата да реагира на светлосната средина стана една од најмоќните алатки за истражување на човечкиот мозок. Токму тој неочекуван пат од едноклеточен организам до контролирање на нервните клетки е причината што откритието во 2026 година ја доби најголемата награда во медицината.