211service.com
Avkoda hjärnan med ljus
Molekylära ljusbrytare kan avslöja exakt vilka neuroner som är involverade i att skapa ett minne, vilket gör att forskare kan trigga det minnet med enbart ljus. Fyndet, presenterat kl Society for Neuroscience konferensen i Chicago den här veckan, är bara ett exempel på hur en ny teknik som kallas optogenetik gör det möjligt för forskare att ta itu med stora obesvarade frågor om hjärnan, inklusive rollen av specifika hjärnregioner i bildandet av minne, missbruksprocessen och övergången. från sömn till vakenhet.
Lätt relief: Forskare använder fiberoptiska kablar för att kontrollera neural aktivitet hos möss, tack vare ljusomkopplare som har genmanipulerats till specifika neuroner. Tekniken, som kallas optogenetik, kan användas för att koppla samman specifika neurala kretsar med olika beteenden och sjukdomar.
Tekniken, utvecklad för bara fyra år sedan av Karl Deisseroth , en läkare och bioingenjör vid Stanford, och Ed Boyden , nu bioingenjör vid MIT, används redan av hundratals labb över hela världen. Tack vare molekylärt mixtrande och nya fiberoptiska enheter som levererar ljus djupt in i hjärnan via ett implantat, kan forskare använda optogenetik för att studera effekten av neural stimulering på olika beteenden hos levande djur.
För att göra nervceller känsliga för ljus, genmanipulerar forskare dem för att bära ett protein anpassat från gröna alger. När den modifierade neuronen utsätts för ljus, via det fiberoptiska implantatet, utlöser proteinet elektrisk aktivitet i cellen som sprider sig till nästa neuron i kretsen. Tekniken gör det möjligt för forskare att kontrollera neural aktivitet mycket mer exakt än tidigare metoder, som i allmänhet involverade att leverera elektrisk ström genom en elektrod.
Michael Hausser Teamet vid University College London använder optogenetik för att undersöka hur minnen lagras i hjärnan på möss. Enligt den grundläggande modellen för minnesbildning aktiveras en delmängd av neuroner i en del av hjärnan som kallas hippocampus att lära sig en ny association – som att ett visst ljud föregår en elektrisk stöt. Man tror att återkallande av minnet kan utlösas genom att bara aktivera en delmängd av cellerna i det nätverket, säger Hausser. Men det finns inga tydliga, direkta experimentella bevis för något av stegen i processen.
Hausser och hans medarbetare genmanipulerade det ljuskänsliga proteinet så att det bara skulle uttryckas i neuroner i hippocampus som aktiverades under bildandet av ett minne. Därefter lärde de mössen att frukta ett visst ljud genom att para ihop det med en elektrisk stöt. Att höra ljudet fick djuren att frysa av rädsla – och utlöste produktionen av proteinet i aktiverade hjärnceller.
Nästa dag sken forskare blått ljus på djurens hippocampi. Det utlöste aktivitet i endast den delmängd av celler som avfyrade under minnesbildning dagen innan, vilket fick djuret att frysa av rädsla som svar på ljus, snarare än på ljudet. Forskarna märkte också dessa celler med en fluorescerande markör, så att de kunde räkna antalet celler som är involverade i skapandet av minnet. Ett anmärkningsvärt litet antal neuroner i dessa djur [räcker] för att driva återkallelse, i storleksordningen 100 till 200 celler, säger Hausser.
Förutom att belysa de mest grundläggande aspekterna av hjärnan, använder forskare tekniken för att bättre förstå specifika sjukdomar som depression, Parkinsons och beroende, i hopp om att förbättra behandlingarna. Parkinsons sjukdom, till exempel, kan behandlas med djup hjärnstimulering, där en kirurgiskt implanterad elektrod levererar pulser till en specifik struktur djupt i hjärnan. Men proceduren är invasiv och medför risk för biverkningar som depression och kognitiv dysfunktion. Tidigare i år publicerade Deisseroths team information om forskning med hjälp av ljusbrytarna för att studera hjärnkretsarna som är involverade i Parkinsons sjukdom. De fann att de kunde lindra de motoriska underskotten hos djur med Parkinsons-liknande symtom genom att aktivera neurala mål mycket närmare ytan av hjärnan.
Fynden ökar möjligheten att använda icke-invasiva metoder för att stimulera hjärnan för att behandla Parkinsonspatienter, vilket Deisseroth och medarbetare nu undersöker. Transkraniell magnetisk stimulering (TMS), ett sätt att aktivera delar av hjärnan med hjälp av en magnet placerad över hårbotten, har redan godkänts av Food and Drug Administration för att behandla depression. Men studier som använder TMS för att behandla Parkinsons har gett blandade resultat, förmodligen för att människor har petat runt i olika delar av hjärnan, utan att vägledas av denna typ av kunskap, säger Deisseroth. I en ny studie kommer forskarna först att använda sofistikerade hjärnavbildningsmetoder för att försöka identifiera hos Parkinsonspatienter den mänskliga korrelationen till den fläck som identifierats i djurstudier – det exakta området kommer sannolikt att variera från person till person – och sedan rikta in stimuleringen specifikt till den regionen.
Forskare använder också optogenetik för att studera depression, en annan sjukdom som kan behandlas med elektrisk stimulering. De hoppas kunna reta ut hjärnområdena som är ansvariga för de olika symtom som är förknippade med depression, såsom trötthet, hopplöshet och brist på nöje i dagliga aktiviteter.
Forskare efterliknar klinisk depression hos möss genom att utsätta dem för flera dagar av extrem social stress. Efter sådan stress avstår dessa normalt sociala djur från social interaktion resten av livet. Liksom klinisk depression hos människor genererar denna funktionsnedsättning onormala mönster av neural aktivitet i en del av hjärnan som kallas prefrontal cortex, och den kan lindras med antidepressiva medel.
Herbert Covington, forskare inom Eric Nestler s labb vid Mount Sinai School of Medicine, i New York, gjorde neuroner i prefrontala cortex hos stressade möss känsliga för ljus. Han stimulerade sedan djurens nervceller med hjälp av ljus som levereras i ett mönster som liknar det som ses hos friska möss som utforskar en ny miljö. Ungefär som antidepressiva medel gjorde ljusbehandlingen att de tidigare rädda djuren umgicks normalt med andra möss.
Depression är en komplex blandning av beteenden, säger Covington. Att stimulera den prefrontala cortexen kan återställa ett socialt beteende. Därefter kommer vi att titta på om det kan återställa aktiviteten – kommer möss att välja att göra saker som de tycker är givande, vilket ofta är ett problem vid depression. Resultaten kan i slutändan göra det möjligt för forskare att utveckla behandlingar riktade mot specifika aspekter av sjukdomen.
Det är ännu inte klart om optogenetikteknologin kommer att bli en behandling i sig eller om dess stora inverkan kommer att belysa sjukdomen. Två grupper fokuserar redan på potentiella behandlingar: Ed Boyden vid MIT har grundat en startup för att använda optogenetik för att återställa synen för personer med synstörningar genom att göra skadade retinala celler känsliga för ljus, och en startup som drevs ut från Case Western Reserve University i Cleveland, OH, planerar att kommersialisera tekniken för att återställa blåskontrollen hos förlamade människor.