Neurosciences nya verktygslåda

Med uppfinningen av optogenetik och andra teknologier kan forskare undersöka källan till känslor, minne och medvetande för första gången. Förbi

• Stephen S. Hall arkivsida

17 juni 2014

Det som kan kallas 'make love, not war'-grenen inom beteendeneurovetenskap började ta form i (var annars?) Kalifornien för flera år sedan, när forskare i David J. Andersons laboratorium vid Caltech bestämde sig för att ta itu med aggressionsbiologin. De inledde forskningslinjen genom att iscensätta den murina versionen av Fight Night: de fick hanmöss att trassla ihop sig med rivaliserande hanar och sedan, med noggrant molekylärt detektivarbete, nollställde sig på en släng av celler i hypotalamus som blev aktiva när mössen började att slåss.

Hypotalamus är en liten struktur djupt inne i hjärnan som, bland andra funktioner, koordinerar sensoriska input - utseendet på en rival, till exempel - med instinktiva beteenderesponser. Tillbaka på 1920-talet hade Walter Hess från Zürichs universitet (som skulle vinna en Nobelpris 1949) visat att om du stack in en elektrod i hjärnan på en katt och elektriskt stimulerade vissa delar av hypotalamus, kunde du förvandla ett spinnande kattdjur. till en lurvig suddig aggression. Flera intressanta hypoteser försökte förklara hur och varför det hände, men det fanns inget sätt att testa dem. Liksom många grundläggande frågor inom hjärnvetenskap, försvann mysteriet med aggression inte under det senaste århundradet - det slog bara de vanliga empiriska vägspärrarna. Vi hade bra frågor men ingen teknik för att komma fram till svaren.

Den här berättelsen var en del av vårt julinummer 2014

• Se resten av frågan
• Prenumerera

År 2010 hade Andersons Caltech-labb börjat riva isär de underliggande mekanismerna och de neurala kretsarna för aggression i deras stridslystna möss. Beväpnade med en rad nya teknologier som gjorde det möjligt för dem att fokusera på enskilda klumpar av celler i hjärnregioner, snubblade de över en överraskande anatomisk upptäckt: den lilla delen av hypotalamus som verkade korrelerad med aggressivt beteende var sammanflätad med den del som var förknippad med impulsen att para sig. Det lilla hertigdömet av celler – det tekniska namnet är den ventromediala hypotalamus – visade sig vara en samling av ungefär 5 000 neuroner, alla marmorerade, några av dem till synes kopplade till parning och andra till strid.

Det finns inget sådant som en generisk neuron, säger Anderson, som uppskattar att det kan finnas upp till 10 000 olika klasser av neuroner i hjärnan. Även små delar av hjärnan innehåller en blandning, säger han, och dessa neuroner påverkar ofta beteendet i olika, motsatta riktningar. När det gäller hypotalamus verkade några av neuronerna bli aktiva under aggressivt beteende, några av dem under parningsbeteende och en liten delmängd – cirka 20 procent – ​​under både slåss och parning.

Det var en provocerande upptäckt, men det var också en kvarleva från gammaldags neurovetenskap. Att vara aktiv var inte detsamma som att orsaka beteendet; det var bara ett samband. Hur visste forskarna med säkerhet vad som utlöste beteendet? Kan de provocera en mus att slå ett slag bara genom att kittla några celler i hypotalamus?

För ett decennium sedan skulle det ha varit tekniskt omöjligt. Men under de senaste 10 åren har neurovetenskapen förvandlats av en anmärkningsvärd ny teknik som kallas optogenetik, uppfunnen av forskare vid Stanford University och beskrevs först 2005. Caltech-forskarna kunde infoga en genetiskt modifierad ljuskänslig gen i specifika celler i synnerhet platser i hjärnan på en levande, andas, häftig och ibland canoodling hanmus. Med hjälp av en hårtunn fiberoptisk tråd som satts in i den levande hjärnan kunde de sedan slå på och av nervcellerna i hypotalamus med en ljusskur.

Optogenetik : Ljusbrytare för neuroner

Anderson och hans kollegor använde optogenetik för att producera en video som dramatiserade kärlek-hat-spänningarna djupt inom gnagare. Den visar en hanmus som gör det som kommer naturligt, parar sig med en hona, tills Caltech-forskarna tänder ljuset, i vilket ögonblick den murina lothario blir rasande. När ljuset är på kan även en mild manlig mus förmås att attackera vilket mål som helst som råkar vara i närheten – hans reproduktiva partner, en annan hanmus, en kastrerad hane (normalt inte uppfattas som ett hot), eller, högst osannolikt, en gummihandske tappade ner i buren.

Att aktivera dessa neuroner med optogenetiska tekniker är tillräckligt för att aktivera aggressivt beteende inte bara mot lämpliga mål som en annan manlig mus utan också mot olämpliga mål, som honor och till och med livlösa föremål, säger Anderson. Omvänt kan forskare hämma dessa neuroner mitt i en kamp genom att släcka ljuset, säger han: Du kan stoppa kampen döda i dess spår.

Dessutom tyder forskningen på att älskling åsidosätter krigsskapande i beteendekalkylen: ju närmare en mus var fullbordandet av den reproduktiva handlingen, desto mer motståndskraftig (eller omedveten) blev han mot ljuspulserna som normalt utlöste aggression. I en tidning publicerad i Biologisk psykiatri , med titeln Optogenetics, Sex, and Violence in the Brain: Implications for Psychiatry, noterade Anderson, Kanske är imperativet att 'älska, inte krig' fast inkopplat i vårt nervsystem, i större utsträckning än vi har insett. Vi kan vara både älskare och kämpar, med det smalaste av neurologiska avstånd som skiljer de två impulserna åt.

Optogenetik och andra nya tekniker innebär att forskare kan börja identifiera funktionen hos de tusentals olika typerna av neuroner bland de cirka 86 miljarderna i den mänskliga hjärnan.

Ingen antyder att vi är på väg att installera neurala strömbrytare för att stävja aggressivt beteende. Men, som Anderson påpekar, belyser forskningen en större poäng om hur en ny teknik kan återuppfinna hur hjärnvetenskapen görs. Optogenetikens förmåga att förvandla ett till stor del korrelationellt vetenskapsområde till ett som testar orsakssamband har varit transformerande, säger han.

Vad som är radikalt med tekniken är att den tillåter forskare att störa en cell eller ett nätverk av celler med utsökt precision, nyckeln till att skissa på kretsen som påverkar olika typer av beteende. Medan äldre teknologier som bildbehandling gjorde det möjligt för forskare att se hjärnan i aktion, gör optogenetik det möjligt för dem att påverka den åtgärden, mixtra med specifika delar av hjärnan vid specifika tidpunkter för att se vad som händer.

Och optogenetik är bara ett av en rad revolutionerande nya verktyg som sannolikt kommer att spela ledande roller i vad som ser ut som en storhetstid för neurovetenskap. Stora initiativ i både USA och Europa strävar efter att förstå hur den mänskliga hjärnan – den trassliga tre kilo tunga ostmassan av neuroner, bindväv och kretsar – ger upphov till allt från abstrakta tankar till grundläggande sensorisk bearbetning till känslor som aggression. Medvetande, fri vilja, minne, inlärning – de är alla på bordet nu, eftersom forskare använder dessa verktyg för att undersöka hur hjärnan uppnår sina till synes mystiska effekter (se Söka efter den fria viljans neuron ).

Anslutningar

För mer än 2 000 år sedan noterade Hippokrates att om du vill förstå sinnet måste du börja med att studera hjärnan. Ingenting har hänt under de senaste två årtusendena för att ändra detta imperativ – förutom de verktyg som neurovetenskapen tar med sig till uppgiften.

Neurovetenskapens historia, liksom själva vetenskapens historia, är ofta en berättelse om nya enheter och ny teknik. Luigi Galvanis första oavsiktliga elektrod, som framkallade ryckningar i en grodas muskel, har inspirerat varje efterföljande elektrisk sond, från Walter Hess kattprod till den nuvarande terapeutiska användningen av djup hjärnstimulering för att behandla Parkinsons sjukdom (cirka 30 000 personer över hela världen har nu implanterat elektroder deras hjärnor för att behandla detta tillstånd). Lappklämman gjorde det möjligt för neuroanatomer att se ebb och flöde av joner i en neuron när den förbereder sig för eld. Och lite insåg Paul Lauterbur, när han fokuserade ett starkt magnetfält på en enda olycklig mussla i sitt labb vid State University of New York i Stony Brook i början av 1970-talet, att han och hans kollegor lade grunden för magnetisk resonans avbildningsmaskiner (MRI) som har hjälpt till att avslöja det inre landskapet och aktiviteten hos en levande hjärna.

Växande neuroner : Studera vad som går fel

Men det är framstegen inom genetik och genomiska verktyg under de senaste åren som verkligen har revolutionerat neurovetenskapen. Dessa framsteg gjorde de genetiska manipulationerna i hjärtat av optogenetik möjliga. Ännu nyare genomredigeringsmetoder kan användas för att exakt förändra genetiken hos levande celler i labbet. Tillsammans med optogenetik betyder dessa verktyg att forskare kan börja identifiera funktionen hos de tusentals olika typerna av nervceller bland de cirka 86 miljarderna i den mänskliga hjärnan.

Ingenting vittnar om värdet av en ny teknik mer än antalet vetenskapsmän som snabbt anammar den och använder den för att göra anspråk på nya vetenskapliga territorier. Som Edward Boyden, en forskare vid MIT som hjälpte till att utveckla optogenetik, uttrycker det: Ofta när en ny teknik kommer ut, är det lite av ett landgrepp.

Och även när forskare tar tag i dessa möjligheter inom genomik och optogenetik, kommer ytterligare andra framsteg på scenen. En ny kemisk behandling gör det möjligt att direkt se nervfibrer i däggdjurs hjärnor; robotmikroelektroder kan avlyssna (och störa) enstaka celler i levande djur; och mer sofistikerade bildtekniker låter forskare matcha nervceller och fibrer i hjärnskivor för att skapa en tredimensionell karta över anslutningarna. Genom att använda dessa verktyg tillsammans för att bygga upp en förståelse för hjärnans aktivitet hoppas forskarna kunna fånga det största av kognitiva spel: minne, beslutsfattande, medvetande, psykiatriska sjukdomar som ångest och depression, och ja, sex och våld.

Forskare spekulerade att om du kunde smuggla genen för ett ljuskänsligt protein in i en neuron och sedan pulsera cellen med ljus, kan du få den att brinna. Du kan sätta på och stänga av specifika neuroner.

I januari 2013 investerade EU-kommissionen en miljard euro i lanseringen av sitt Human Brain Project, ett 10-årigt initiativ för att kartlägga alla kopplingar i hjärnan. Flera månader senare, i april 2013, tillkännagav Obama-administrationen ett initiativ kallat Brain Research through Advanced Innovative Neurotechnologies (BRAIN), som förväntas skjuta in så mycket som 1 miljard dollar på fältet, med mycket av den tidiga finansieringen öronmärkt för teknikutveckling. Sedan finns det Human Connectome Project, som syftar till att använda elektronmikroskopbilder av sekventiella skivor av hjärnvävnad för att kartlägga nervceller och deras kopplingar i tre dimensioner. Kompletterande anslutnings- och kartläggningsinitiativ pågår vid Howard Hughes Medical Institute i Virginia och Allen Institute for Brain Science i Seattle. De är alla en del av en stor global insats, både offentligt och privat finansierad, för att bygga en heltäckande bild av den mänskliga hjärnan, från nivån av gener och celler till nivån av anslutningar och kretsar.

I december förra året, som ett första steg i BRAIN-initiativet, begärde National Institutes of Health in förslag på projekt till ett värde av 40 miljoner USD om teknikutveckling inom neurovetenskap. Varför lägger BRAIN Initiative så stor tonvikt på teknik? säger Cornelia Bargmann, neuroforskaren vid Rockefeller University som är med och leder planeringen av projektet. Det verkliga målet är att förstå hur hjärnan fungerar, på många nivåer, i rum och tid, i många olika neuroner, på en gång. Och det som har hindrat oss från att förstå det är begränsningar i tekniken.

Tjuvlyssning

Optogenetik hade sitt ursprung år 2000, i pratstunder på Stanford University. Där började neuroforskarna Karl Deisseroth och Edward Boyden studsa fram och tillbaka idéer om sätt att identifiera, och i slutändan manipulera, aktiviteten hos specifika hjärnkretsar. Deisseroth, som hade en doktorsexamen i neurovetenskap från Stanford, längtade efter att förstå (och en dag behandla) de mentala åkommor som har plågat mänskligheten sedan Hippokrates era, särskilt ångest och depression (se Shining Light on Madness). Boyden, som höll på med examensarbete inom hjärnfunktion, hade en allätande nyfikenhet på neuroteknik. Först drömde de om att använda små magnetiska pärlor som ett sätt att manipulera hjärnans funktion hos intakta, levande djur. Men någon gång under de kommande fem åren slocknade en annan sorts glödlampa.

Sedan 1970-talet hade mikrobiologer studerat en klass av ljuskänsliga molekyler kända som rhodopsiner, som hade identifierats i enkla organismer som bakterier, svampar och alger. Dessa proteiner fungerar som gatekeepers längs cellväggen; när de upptäcker en viss våglängd av ljus släpper de antingen in joner i en cell eller omvänt släpper de ut joner ur den. Detta ebb och flöde av joner speglar processen genom vilken en neuron avfyrar: den elektriska laddningen i nervcellen byggs upp tills cellen släpper lös en topp av elektrisk aktivitet som flödar längs med dess fiber (eller axon) till synapserna, där meddelandet skickas vidare till nästa cell i vägen. Forskare spekulerade att om du kunde smuggla genen för ett av dessa ljuskänsliga proteiner in i en neuron och sedan pulsera cellen med ljus, kan du få den att brinna. Enkelt uttryckt kan du slå på eller stänga av specifika neuroner hos ett djur som är vid medvetande med en ljusskur.

År 2004 satte Deisseroth framgångsrikt in genen för en ljuskänslig molekyl från alger i däggdjursneuroner i en skål. Deisseroth och Boyden fortsatte med att visa att blått ljus kunde få nervcellerna att elda. Ungefär samtidigt anslöt sig en doktorand vid namn Feng Zhang till Deisseroths labb. Zhang, som hade skaffat sig en brådmogen expertis inom teknikerna för både molekylärbiologi och genterapi som gymnasieelev i Des Moines, Iowa, visade att genen för det önskade proteinet kunde introduceras i neuroner med hjälp av genetiskt modifierade virus. Återigen med hjälp av pulser av blått ljus, visade Stanford-teamet sedan att det kunde slå på och stänga av elektriska pulser i de virusmodifierade nervcellerna från däggdjur. I ett landmärkestidning som dök upp i Naturens neurovetenskap 2005 (efter att, säger Boyden, det avvisades av Vetenskap ), Deisseroth, Zhang och Boyden beskrev tekniken. (Ingen skulle kalla det optogenetik för ett år till.)

Neurovetenskapsmän grep omedelbart kraften i tekniken genom att infoga ljuskänsliga gener i levande djur. Forskare i Deisseroths eget labb använde det för att identifiera nya vägar som kontrollerar ångest hos möss, och både Deisseroths team och hans medarbetare vid Mount Sinai Hospital i New York använde det för att slå på och stänga av depression hos råttor och möss. Och Susumu Tonegawas labb vid MIT använde nyligen optogenetik för att skapa falska minnen hos laboratoriedjur.

När jag besökte Boydens kontor på MIT:s Media Lab i december förra året, ringde vetenskapsmannen upp sina nya favoritartiklar om optogenetik. I ett sus av ord lika snabbt som hans tangenttryckningar beskrev Boyden andra generationens teknologier som redan utvecklas. Den ena innebär att man avlyssnar enstaka nervceller hos sövda och medvetna djur för att se saker som rullar under havet av aktivitet i en neuron när djuret är medvetslöst. Boyden sa: Det belyser bokstavligen vad det innebär att ha tankar och medvetenhet och känslor.

Forskare använder ofta ord som överraskande och oväntat för att karakterisera de senaste resultaten, vilket återspeglar den inverkan optogenetik har haft på förståelsen av psykiatriska sjukdomar.

Boydens grupp hade också precis skickat iväg ett papper som rapporterade en ny vändning på optogenetik: separata, oberoende neurala banor kan störas samtidigt med röda och blå våglängder av ljus. Tekniken har potential att visa hur olika kretsar interagerar med och påverkar varandra. Hans grupp arbetar också med vansinnigt täta inspelningssonder och mikroskop som strävar efter att fånga hela hjärnans aktivitet. Ambitionerna är inte blygsamma. Kan du spela in alla celler i hjärnan, säger han, så att du kan se tankar eller beslut eller andra komplexa fenomen dyka upp när du går från sensation till känsla till beslut till handlingsplats?

Hjärnkartläggning : Kartlägga informationsmotorvägarna

Några kvarter bort listade Feng Zhang, som nu är biträdande professor vid MIT och fakultetsmedlem vid Broad Institute, urgamla neurovetenskapliga frågor som nu kan angripas med den nya tekniken. Kan du göra en minnesuppgradering och öka kapaciteten? han frågade. Hur är neurala kretsar genetiskt kodade? Hur kan du programmera om de genetiska instruktionerna? Hur fixar man de genetiska mutationerna som orsakar felkoppling eller andra funktionsfel i nervsystemet? Hur gör man den gamla hjärnan yngre?

Förutom att hjälpa till att uppfinna optogenetik, spelade Zhang en central roll i att utveckla en genredigeringsteknik som kallas CRISPR (se 10 Breakthrough Technologies: Genome Editing, maj/juni). Tekniken gör det möjligt för forskare att rikta in sig på en gen - i neuroner, till exempel - och antingen ta bort eller modifiera den. Om den modifieras för att inkludera en mutation som är känd eller misstänkt orsaka hjärnstörningar, kan forskare studera utvecklingen av dessa störningar hos försöksdjur. Alternativt kan forskare använda CRISPR i labbet för att förändra stamceller som sedan kan odlas till neuroner för att se effekterna.

Genomskinlighet

Tillbaka på Stanford, när han inte träffar patienter med autismspektrumstörningar eller depression på kliniken, fortsätter Deisseroth att uppfinna verktyg som han och andra kan använda för att studera dessa tillstånd. Förra sommaren rapporterade hans labb om ett nytt sätt för forskare att visualisera kablarna av nervfibrer, känd som vit substans, som förbinder avlägsna områden i hjärnan. Tekniken, som kallas Clarity, immobiliserar först biomolekyler som protein och DNA i ett plastliknande nät som behåller den fysiska integriteten hos en postmortem hjärna. Sedan spolar forskare ett slags tvättmedel genom nätet för att lösa upp alla fetter i hjärnvävnaden som normalt blockerar ljus. Hjärnan görs genomskinlig och exponerar plötsligt hela det tredimensionella ledningsmönstret.

Tillsammans förändrar de nya verktygen många konventionella synsätt inom neurovetenskap. Till exempel, som Deisseroth noterade i en översiktsartikel som publicerades tidigare i år i Natur , har optogenetik utmanat några av de idéer som ligger bakom djup hjärnstimulering, som har använts i stor utsträckning för att behandla allt från skakningar och epilepsi till ångest och tvångssyndrom. Ingen vet precis varför det fungerar, men driftantagandet har varit att dess terapeutiska effekter härrör från elektrisk stimulering av mycket specifika hjärnregioner; neurokirurger anstränger sig extraordinärt för att placera elektroder med yttersta precision.

Men 2009 visade Deisseroth och kollegor att specifikt stimulering av den vita substansen, neurala kablar som råkar ligga nära elektroderna, gav den mest robusta kliniska förbättringen av symtom på Parkinsons sjukdom. Med andra ord, det var inte hjärnans grannskap som spelade så stor roll som vilka neurala motorvägar som råkade passera i närheten. Forskare använder ofta ord som överraskande och oväntat för att karakterisera sådana nya resultat, vilket återspeglar den inverkan som optogenetik har haft på förståelsen av psykiatrisk sjukdom.

I samma veva påpekar Caltechs Anderson att den offentliga och vetenskapliga förälskelsen av funktionella MR-studier under de senaste två decennierna har skapat intrycket att vissa regioner i hjärnan fungerar som centrum för neural aktivitet – att amygdala är centrum för rädsla, till exempel, eller hypotalamus är centrum för aggression. Men han liknar fMRI vid att titta ner på ett nattlandskap från ett flygplan på 30 000 fot och försöka ta reda på vad som pågår i en enda stad. Optogenetik, däremot, har gett en mycket mer detaljerad bild av den lilla uppdelningen av celler i hypotalamus, och därmed en mycket mer komplex och nyanserad bild av aggression. Aktivering av specifika neuroner i den lilla staden kan tipsa en organism att föra krig, men aktivering av neuronerna bredvid kan knuffa den att älska.

De nya teknikerna kommer att ge forskare de första glimtarna av mänsklig kognition i aktion – en titt på hur tankar, känslor, föraningar och dysfunktionell mental aktivitet uppstår från neurala kretsar och från aktiviteten hos särskilda typer av celler. Forskare har precis börjat få dessa insikter, men med tanke på den senaste takten i teknikutvecklingen kan bilden dyka upp snabbare än någon trodde var möjligt när ljuset från optogenetik först flimrade till för några år sedan.

Stephen S. Hall är en vetenskaplig författare och författare i New York City. Hans sista inslag för MIT Technology Review reparerade dåliga minnen.

Dölj