Мозъчен контрол със светлина: Възможно е с оптогенетика

реклама

Медицинските учени изучават мозъка повече от петстотин години - и в края на краищата загадъчният орган все още крие множество тайни. И накрая, само през последните няколко години се появява нова техника, наречена „оптогенетика“, която може да помогне на учените да разгадаят тайните на мозъка (и да лекуват неговите нарушения) по изцяло нов начин.

Защо се нуждаем от оптогенетика?

В много отношения е удивително, че психиатричните лекарства изобщо действат. Съвременното състояние - най-доброто, което съвременната наука може да направи - означава потапяне на мозъка в химическа баня и надяване, че това ще стане единственото нещо, което ни интересува. И... това работи! Понякога.

Има лекарства, които са много мощни за лечение на депресия, ОКР, биполярно разстройство и болест на Паркинсон. Често са изпъстрени с неприятни странични ефекти. Лекарствата, които действат добре, често са открити от нищо повече от опит и грешка. В много случаи учените нямат подробно разбиране за това как мозъкът работи, за да постигне нормална функция - или как работи, когато работи неправилно. Тези пропуски в знанието е трудно да се преодолеят чрез традиционните начини за изучаване на мозъка и ограничават възможността за разработване на ефективни терапии.

Това, което психиатрите и невролозите наистина биха искали, е пълният достъп за четене и писане до мозъка: способността да се достигне вътре в нечия глава и да се вълнува или потискаме произволни групи от неврони с резолюция с единичен неврон, позволявайки ни да изолираме популациите, които са нефункционални и да коригираме поведението си в реално време. За съжаление, да пропукат нечия глава и да проводят проводници към всеки неврон е непрактично.

Обещанието на оптогенетиката е, че всъщност може да позволи на лекарите да постигнат нещо, близко до този вид достъп.

Как учените използват светлина за контрол на мозъка

Ето как работи: първо, изследователите инжектират обекта с генетично проектиран вирус, предназначен да заразява мозъчната тъкан. Стотици милиарди копия на вируса заливат мозъка, инжектирайки полезния си товар в нервните клетки, когато се натъкнат на тях.

Тези вируси не са вредни: вместо да доставят злонамерен, самовъзпроизвеждащ се полезен товар, тези вируси са разработени от учените доставят доброкачествена верига ДНК, която кодира специални повърхностни протеини, които реагират на светлинни дължини на вълната. Вирусите просто служат като спринцовки за еднократна употреба, за да доставят специалната ДНК на клетките.

Невроните включват тази специална ДНК и, ако условията са правилни, експресирайте повърхностни протеини, които ги причиняват да се изстрелят когато се стимулира със светлина - същите видове протеини, които се използват от човешките клетки на ретината за откриване на светлина и форма изображения. Променяйки ДНК, за да бъде по-придирчив, когато се изразява, учените могат да избират кои видове неврони (има хиляди разновидности) да изразяват повърхностния протеин и ще реагират на светлина.

След това, като внимателно контролирате къде се осветява светлината върху мозъка, конкретните места, които се стимулират или депресията може да се контролира с подмилиметрова точност, степен на контрол, каквато никога досега не е била възможен. Още по-добре е, че много области на мозъка могат да бъдат засегнати, без да е необходимо да се нарязват или резбоват жици чрез мозъчната материя, което прави процедурата много по-безопасна от конвенционалните форми на мозъчна стимулация.

Според Ед Бойдън, професор по биоинженерство и невронауки в MIT,

Ако можете да контролирате клетките в мозъка, можете да разберете каква е тяхната сила, какво могат да повлияят - и също така, ако можете да контролирате клетките в мозъка може да коригира отклоняващи се състояния на мозъка и можете да създадете нови видове терапия, като рекултивирате изчисленията, които са се объркали в неврологични или психиатрични смущение

Можете да гледате доста техническа (но изключително интересна) лекция за техниките и методологията по-долу:

Какво можете да направите с оптогенетика?

Представете си, че изследовател иска да разбере по-добре как работи депресията. И така, изследователят събира някои депресирани мишки (не питайте как изследователите създават депресирани мишки, не искате да знаете) и започва да тества.

Те проверяват различни видове неврони и различни области на мозъка и виждат какво се случва, когато стимулирате или натиснете тези области и тези видове неврони. Някои експериментални групи стават по-щастливи - някои стават по-депресирани: повечето не правят нито едно. Като стеснява кои популации са свързани и как влияят на резултата, изследователят бавно изгражда дълбока, подробна функционална карта на мозъка: изолирайки машините на радостта.

Това е видът експеримент, който оптогенетиката дава възможност, и стои да даде на учените по-задълбочено разбиране на различните психични функции и начините, по които те могат да се объркат.

Вече оптогенетиката доведе до някои интересни потенциални познания за слуховите халюцинации на шизофренията. Според д-р Карл Дейсерот от университета в Станфорд, това сега изглежда вероятно че гласовете всъщност са нормални компоненти на вътрешния монолог, които се тълкуват погрешно като външно влияние.

„Може да е слабо разпозната версия на вътрешните мисли. По някакъв начин се губи информацията, че една мисъл наистина идва от самия себе си. Той се разглежда като чуждо нещо, говорене на глас. […] [Преди оптогенетиката] нямаше как да се знае това, защото нямаше начин да се контролира селективно [клетките] в правилния времеви диапазон. “

Тези видове прозрения са важни от научна гледна точка и биха могли да доведат до по-добри лекарства и терапии, както и до отговор на древни мистерии за естеството на съзнанието и интелигентността Мислещи машини: какво може да ни научи на съзнанието невронауката и изкуственият интелектМоже ли изграждането на изкуствено интелигентни машини и софтуер да ни научи за работата на съзнанието и същността на самия човешки ум? Прочетете още .

В близко бъдеще лекарите може да успеят да вземат прозрения, които получават от тези експерименти, да ги обърнат, и използвайте оптогенетиката върху действителните пациенти, за да повлияете на неврологичните дейности, които допринасят депресия. Оптогенетиката позволява на лекарите не само да изучават мозъка, но и да го променят с много по-голяма точност, отколкото преди е било възможно.

Изграждане на здрава шапка

За съжаление, вероятно не е възможно да се използва оптогенетика върху хората неинвазивно. Черепът е просто твърде дебел, така че е необходимо да се захранват оптични кабели през него. Това е голяма операция и има свързани с нея рискове, над и извън това, което обикновено се включва в началото на курс на психиатрични лекарства.

Въпросните терапии обаче имат потенциал да бъдат много по-ефективни и да имат по-малко странични ефекти, така че вероятно ще си струва за много пациенти. Вече има проучвания за използване на електрически мозъчни пейсмейкъри за лечение на тежка депресия, а резултатите са много обещаващи. Бъдещите терапии, базирани на оптогенетика, вероятно ще бъдат по-малко инвазивни и по-ефективни: след като мозъкът е снабден с правилно позициониран оптични кабели, може би поставени през носа, за да се избегне счупване на черепа, останалата част от хардуера може да се съхранява външно, за лесно достъп. Самият имплант (влакнести оптични кабели и лазерни диоди) ще се нуждае само от захранване и контролен сигнал, които могат един ден да бъдат предоставени безжично.

Останалата част от хардуера (компютърът, батерията и т.н.) може потенциално да се носи външно, което позволява на лекаря на пациента да го препрограмира при необходимост, без да се изисква допълнителна операция.

Освен коригирането на психичните заболявания, оптогенетиката предоставя също много по-биосъвместим и по-малко инвазивен начин за директно стимулират клетките на нервите в мозъка и тялото в сравнение с конвенционалните имплантирани електроди, което би изминало дълъг път към приготвяне трансплантационни импланти, повишаващи производителността Включване в мозъка и тялото ви - бъдещето на имплантираните компютриС настоящата тенденция на технически иновации и напредък, сега е подходящото време да проучите състоянието на компютърните и човешките технологии. Прочетете още по-практичен.

За да бъдем ясни, това все още е доста далеч: оптогенетиката е широко използван изследователски инструмент в момента (ние сме обхванати експерименти, използвайки го преди Експериментът с лека памет засяга мозъците на мишки като MIB NeuralyzerСпомнете ли си кога Уил Смит и Томи Лий Джоунс използваха неврализатора, за да заличат спомените на хората? Е, изследователите от UC Davis успешно са "изтрили специфични спомени" в рамките на мишки, използвайки светлина. Прочетете още ). Ролята му като клинична терапия обаче е на поне десетилетие или две и може да бъде заменена от други техники, които могат да дадат подобни резултати по-малко инвазивно.

Все пак перспективата е вълнуваща и някои приложения могат да дойдат по-скоро. Например, това е възможен да се използва оптогенетика за изграждане на по-добри кохлеарни импланти с много по-голяма точност.

Не е ли всичко това наистина страшно?

Някои от вас, които четете това, вече нарисуват шапките си с уши за ушите и това е изцяло честно: този вид достъп до мозъка е безпрецедентен, извън определена марка истерична наука измислица. Потенциалът за злоупотреба поне си струва да се обсъди.

Ако можете да упражнявате достатъчен контрол над мозъка, за да коригирате депресията и шизофренията и личностните разстройства, може би също така да бъде в състояние да упражнява достатъчно контрол за препрограмиране на нечия сексуална ориентация - или лоботомизиране на развратни деца и затворници. Рискът от родителите, които се опитват да използват такава технология, за да наложат промяна на идентичността върху своите деца, са тази, която отваря изцяло нови етични проблеми, с които медицината ще се занимава за първи път всякога.

Отвъд това, от проста гледна точка за компютърна сигурност, много съвременни медицински устройства просто не са достатъчно сигурни и могат да бъдат хакнати, в някои случаи безжично. Този вид компромис е достатъчно страшно с пейсмейкър, но става наистина ужасяващо, когато помислите за вероятността нападател да може (евентуално) да бъде маймуна в главата ви без разрешение.

Учените, които работят по тези терапии, не са наясно с тези проблеми. Карл Дейсерот в същото цитирано по-горе интервю повдигна същото:

„Спецификата на оптогенетиката повдига въпроса как точно би могъл да изтръгне мозък, за да създаде човек наистина с различни нужди, желания, приоритети, чувства […] има и смущаващ аспект, който повдига безплатно въпроси ще."

Все пак тези проблеми са бледи в сравнение с огромния брой хора, страдащи ужасно от нелечими в момента психиатрични заболявания, на които оптогенетиката има потенциал да помогне. Тази технология е по-полезна, отколкото е опасна, и тъй като е разработена през следващите няколко десетилетия, може коренно да промени естеството на психично-здравната терапия.

Какво мислиш? Страшно, готино или някъде по средата? Оптогенетиката има ли потенциал да ви помогне лично? Уведомете ни в коментарите!

Кредит за изображение: Невроните Via Shutterstock, "Станиол," от Ръс Уокър