211service.com
En ljusbrytare för hjärnan
Forskare kan nu slå på och stänga av specifika delar av hjärnan med en enkel ljusblixt. Det nya molekylära verktyget, utvecklat av forskare vid MIT och Stanford, tillåter oöverträffad kontroll över hjärnan och kan leda till mer effektiva behandlingar för epilepsi, Parkinsons och andra sjukdomar. Det kan också hjälpa neuroforskare att knäcka hjärnans språk: informationen kodad i neuronernas elektriska aktivitet, som bildar våra minnen och styr alla våra rörelser.
Maskträning: En ljusaktiverad avstängningsknapp kan styra rörelsen hos mikroskopiska maskar. Forskare konstruerade maskarna för att uttrycka omkopplaren i motorneuroner som kontrollerar organismernas förmåga att simma. Utan ljus simmar maskarna normalt. Men när de utsätts för gult ljus, vilket indikeras av den gula cirkeln, kan deras motorneuroner inte längre fungera, vilket förlamar maskarna.
På många sätt tror jag att det kommer att revolutionera området, säger Michael Hausser, neuroforskare vid University College London som skrev en kommentar som åtföljde forskningen, publicerad idag i Natur och sista månaden in Public Library of Science One . Den skulle kunna ersätta den stimulerande elektroden, som har varit det främsta verktyget för neurofysiologer under de senaste 100 åren. Det kan också förbättra kliniska tillämpningar där implanterade elektroder har visat sig vara användbara genom att rikta excitation eller hämning till specifika celler.
Neuroner kodar information med en serie elektriska pulser som överförs mellan celler. Neurovetenskapsmän har traditionellt studerat hjärncellers funktion genom att skicka elektriska stötar från en elektrod, vilket sätter igång aktivitet i nervceller. Det är dock svårt att rikta den aktiviteten till en specifik typ av cell, och det finns ingen motsvarande behandling för att stänga av celler.
Förra året valde Karl Deisseroth, en bioingenjör och läkare vid Stanford, och Ed Boyden, en bioingenjör vid MIT, en ljuskänslig kanal från maneter för att skapa en genetisk påkopplare. Kanalen sitter på cellmembranet och öppnas när den utsätts för ljus, vilket tillåter positiv laddning att flöda in i cellen. Att lysa på neuroner som är genetiskt modifierade för att bära kanalen utlöser elektrisk aktivitet i cellen som sedan sprider sig till nästa neuron i kretsen. (Forskare använder optiska fibrer för att skina ljus in i hjärnan.)
Multimedia
Se en video av ljuseffekten på de konstruerade maskarna.
Deisseroth och Boyden har nu oberoende skapat en avstängningsknapp som fungerar med en liknande mekanism. Den här gången använde forskarna en gen som kodar för en proteinpump: när den träffas med gult ljus, pumpar den negativ laddning in i cellen, vilket blockerar neuronen från att avfyras. Båda omkopplarna kan användas i samma cell, vilket effektivt ger neuroforskare en ljusströmbrytare som kan användas för att slå på och av neural aktivitet.
Denna nyfunna förmåga att exakt kontrollera neuroner kan äntligen ge svar på viktiga frågor om hjärnan. Det kan hjälpa forskare att hitta de specifika celler eller neurala aktivitetsmönster som är involverade i kognitiva processer, såsom uppmärksamhet, eller i särskilda sjukdomar, såsom epilepsi.
Både epilepsi och Parkinsons sjukdom kan behandlas med elektroder implanterade i hjärnan. Men elektriciteten som levereras av elektroden stimulerar alla närliggande celler snarare än bara de sjuka, vilket ökar biverkningarna och potentiellt minskar behandlingens effektivitet. Det har varit källan till otrolig frustration, säger Deisseroth, en praktiserande psykiater som testar elektrisk stimulering som en behandling för svår depression. Vi vet att vi kan få behandlingsfördelar genom att fästa elektroder i hjärnan, men vi vet inte riktigt vad målcellstypen är.
Deisseroth och Boyden använder nu ljusströmbrytarna för att studera djurmodeller av dessa sjukdomar för att ta reda på exakt vilka celler som behöver slås på eller av. Deras resultat skulle kunna användas för att utveckla nya läkemedel riktade till endast dessa celler eller, en dag, för att ersätta elektroder med mer exakta ljusaktiverade implantat.
Omkopplaren kan också hjälpa till att avkoda hjärnans språk genom att hjälpa neuroforskare att avgöra hur olika mönster av neural aktivitet ger upphov till komplexa tankar och handlingar. Ny forskning har till exempel visat att rytmiska elektriska mönster i vår hjärna är viktiga för vår förmåga att uppmärksamma. Forskare kan använda omkopplaren för att störa dessa mönster hos djur och se om det utplånar deras förmåga att uppmärksamma. Eller så kan de försöka framkalla dessa mönster och se om detta förbättrar djurens fokus. Det här har varit en dröm för neurovetare under lång tid, säger Hausser. Att kunna manipulera det spatiotemporala aktivitetsmönstret i ett nätverk och hitta den kod som är kopplad till en viss sorts beteende.
Dessutom kan forskare manipulera de specifika enheterna i den neurala koden - pulserna, eller spikarna, av elektrisk aktivitet som överförs mellan celler. Vi har visat att vi kan trycka runt spikar, blockera dem, fördröja dem, säger Boyden. Vi kan verkligen ändra neural kodning på en millisekundsskala. Det borde göra det möjligt för forskare att avgöra vilken aspekt av koden - spikarnas timing eller spikarnas hastighet - som kodar information i hjärnan, en debatt som har rasat i decennier.