Nobel za „włączanie” neuronów światłem. Jak optogenetyka pozwala sterować komórkami mózgu

Komitet Noblowski uhonorował badaczy za „odkrycia dotyczące światłoczułych kanałów jonowych i optogenetyki”. Metoda pozwoliła neurobiologom badać, które konkretne grupy komórek odpowiadają za określone zachowania, emocje, wspomnienia czy reakcje organizmu.

Prof. Magdalena Dziembowska z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego w rozmowie z Mateuszem Grzeszczukiem z „Rzeczpospolitej” przyznaje:

– Dla mnie jako neurobiolożki to po prostu Nobel z neurobiologii.

Jak tłumaczy, przełom polega na wykorzystaniu kanału jonowego reagującego na światło.

– Możemy włączać i wyłączać go w komórkach nerwowych w żywym mózgu – wyjaśnia prof. Dziembowska.

Od glonu do „pilota” dla neuronów

Historia jednego z najważniejszych narzędzi współczesnej neurobiologii zaczęła się od glonu Chlamydomonas. Ten jednokomórkowy organizm potrafi poruszać się w kierunku światła. Naukowców zainteresowało, skąd „wie”, gdzie ono się znajduje.

Okazało się, że posiada światłoczułe białka tworzące kanały jonowe. Jednym z nich jest channelrhodopsyna. Kiedy pada na nią światło o odpowiedniej długości fali, kanał otwiera się i przepuszcza przez błonę komórkową jony.

Nagel i Hegemann odegrali kluczową rolę w odkryciu i opisaniu działania channelrhodopsyn. Kolejnym wielkim krokiem było zastosowanie tych białek w komórkach nerwowych. Deisseroth wraz ze współpracownikami pokazał, że można wykorzystać światłoczułe białko do bardzo szybkiego sterowania aktywnością neuronów.

Mechanizm można w uproszczeniu porównać do włącznika światła. Najpierw za pomocą metod genetycznych sprawia się, aby wybrane neurony produkowały światłoczułe białko. Następnie padające na nie światło otwiera kanały jonowe i może uruchomić impuls nerwowy.

– To naśladuje naturalny impuls nerwowy, który powstaje w naszym mózgu – tłumaczy prof. Dziembowska.

Dzięki temu badacz nie musi pobudzać dużego obszaru mózgu. Może wybrać konkretną populację neuronów i sprawdzić, co stanie się po jej aktywowaniu albo wyciszeniu.

Jak opisuje neurobiolożka, badania wykonywane są dziś przede wszystkim na myszach i szczurach. Do określonych komórek wprowadza się instrukcję genetyczną umożliwiającą produkcję światłoczułego białka, a do mózgu doprowadza się bardzo cienki światłowód.

Efekty eksperymentów potrafią być spektakularne. Naukowcy mogą przykładowo aktywować niewielką grupę neuronów i obserwować, że zwierzę nagle się budzi, zmienia zachowanie albo wykonuje określoną czynność. Dzięki temu można ustalać funkcje poszczególnych obwodów neuronalnych.

Optogenetyka nie oznacza jednak, że medycyna dysponuje już „pilotem do ludzkiego mózgu”. Metoda jest przede wszystkim niezwykle potężnym narzędziem badawczym. Jednym z problemów pozostaje choćby przenikanie światła przez tkanki. Światło niebieskie, często wykorzystywane w badaniach, dociera stosunkowo płytko.

Naukowcy opracowują więc światłoczułe białka reagujące na inne długości fal, m.in. światło czerwone, które lepiej przenika przez tkanki.

– Ta historia jest naprawdę piękna, bo prowadzi od jednokomórkowego glonu, przez komórki jajowe żaby, aż do neuronów – podsumowuje prof. Dziembowska.

A odpowiedź na najważniejsze pytanie – jak dokładnie miliardy komórek naszego mózgu tworzą pamięć, emocje, decyzje i świadomość – wciąż pozostaje przed naukowcami. Optogenetyka daje im jednak narzędzie, dzięki któremu mogą zadawać to pytanie znacznie precyzyjniej niż kiedykolwiek wcześniej.

Jerzy Mróz