Čím se zabývá optogenetika?

úterý 17. listopad 2009 02:42

Neurofyziologie byla dosud vesměs odkázána jen na záznam aktivity neuronů. Záznamy se poté dávaly do korelací s vjemy, akcemi a poznávacími schopnostmi a zpětně vyhodnocovali. Vědci nyní mají již mnohem mocnější nástroj ke studiu pochodů v neuronových sítích: mohou neurony přímo aktivovat metodou cílené fotostimulace neuronů. Přitom jde o to, že záblesk světla je použit k uvolnění molekul uvnitř vybraných neuronů, které následně stimulují jejich aktivitu. Nejde tu o nic menšího, než o řízené propojení mozků vyšších živočichů s počítačem a to oběma směry - doslova umožnit jim žít v Matrixu.

Nárůst počtu vědeckých článků o optogenetice

Termín optogenetika pochází z roku 2006 a o jeho potenciálu vypovídá i to, že počet publikací prudce vzrůstá každým rokem. Objevitel metody, prof. Goero Miesenböck je profesorem fysiologie na Oxfordské Universitě a svou metodu v časopise ScientificAmerican popisuje následovně: "Je to stejné, jako když chcete poslat vzkaz pouze určitým obyvatelům města. Můžete toho dosáhnout tak, že těm, co chcete, aby váš vzkaz obdrželi, naladíte radio na patřičnou frekvenci a zprávu jednoduše pošlete do světa vzduchem."

Vědci se odjakživa pokoušeli cíleně ovlivnit funkci mozku nejprve s použitím drog, později s využitím operativně zavedených elektrod. Už v roce 1963 např. španělský fyziolog José Delgado dokázal elektrickými impulsy přenášenými do mozkového hypothalamu rádiovými vlnami zastavit na dálku podrážděného býka (video) nebo naopak vybudit agresivitu u koček. Společným problémem těchto metod je jejich špatná cílenost: chemická látka ovlivňuje činnost celého mozku. Elektrošoky mohou vyléčit depresi, ale také způsobit výpadky paměti. Elektrody zavedené přímo do mozku jsou na tom poněkud lépe a používají se dnes např. k léčbě Parkinsonovy nemoci. Ale i zde napětí elektrod ovlivňuje široké okolí, což má časté vedlejší nepříznivé účinky: křeče, závrati, popř. ztráta vědomí. Kochlární implantáty mohou způsobovat náhodné zvukové vjemy: šumy a pískání nebo bolesti hlavy.

José Delgado dokázal zastavit na dálku podrážděného býka  

Oproti tomu účinek světla na nervový systém je mnohem šetrnější a lze jej snadno lokalizovat. Za normálních podmínek nervy nereagují na světlo stejně, jako svaly protože jsou v podstatě průhledné. Ale přídavek fluoreskujících barviv jejich chování změní, protože tato barviva po osvětlení uvolňují elektrony, které neurony dráždí. S barvivy se v neurologii experimentuje už dávno, protože se jimi zvýrazňují mikroskopické preparáty in vitro (v neživých preparátech) i zaživa, tedy "in vivo". V roce 1970 Lawrence B. Cohen z Yale University zkoušel sledoval činnost nervových buněk obarvených různými fluorescentními barvivy. Zjistil, že některá barviva opravdu měla vlastnosti citlivé na elektrické napětí. Barvením neuronů těmito barvivy mohl Cohen sledovat jejich činnost přímo pod mikroskopem. Problémem však je, že volně přidaná barviva jsou pro buňky toxická a rychle zpomalují jejich normální biologické procesy. Další rozvoj těchto metod umožnilo teprve používání barevně značených bílkovin - v těchto látkách je fluoreskující barvivo chemicky navázáno na látku, která choulostivému prostředí uvnitř buňky nevadí.

Elektrody, které J. Delcado voperovával svým zvířatům

Loni obdrželi Nobelovu cenu za chemii 2008 Osamu Shimomura, Martin Chalfie a Roger Y. Tsien za objev za objev a použití zeleně fluoreskujícího bílkoviny GFP v genetickém výzkumu. Celý objev začal tím, že Osamu Shimomura dostal po válce za úkol zjistit, proč někteří japonští mořští ráčci (Cypridina) po rozdrcení světélkují. V té době se stejným problémem neúspěšně zabývali vědci ve Spojených státech. Jeho profesor v úspěch nevěřil, a tak práci nezadal žádnému ze studentů, kteří kvůli získání diplomu potřebovali skutečně dosáhnout nějakého výsledku. Jenže Šimomura světélkující bílkovinu skutečně nalezl a v roce 1962 ji izoloval ze světélkujících medůz Aequorea victoria.

Osamu Shimomura se svítícím proteinem GFP Roger Y. Tsien

Rogera Tsiena (na fotografii vpravo) k chemii ho přivedlo onemocnění astmatem, kvůli kterému nemohl vycházet z bytu a tak se začal věnovat biochemickým pokusům. Později rozšířil spektrum, v němž protein GFP světélkuje, o modrou, modrozelenou a žlutou barvu. Navázáním GFP na různé bílkoviny se v biochemii značkují a sledují metabolické reakce všeho druhu, reakce protilátek, dělení chromozomů atd. V roce 1980 tato barviva R. Tsien použil ke sledování změn koncentrace iontů vápníku, ke které dochází při přenosu elektrochemických signálů na neuronových spojích - synapsích.

Nicméně obarvené bílkoviny mají tu nevýhodu, že ovlivňují všechny typy buněk bez rozdílu. Protože interakce mezi jednotlivými typy neuronů tvoří základ nervové zpracování informací, je jimi zapotřebí obarvit pouze určité skupiny buněk. Něco takového je možné pouze s využitím technik tzv. genetických manipulací, kdy se gen pro tvorbu barviva vpraví do té části DNA, která řídí gen pro vývoj příslušné skupiny buněk. Obvykle se k tomu využívá adenovirů a retrovirů, kteří sami od sebe dokážou genetický kód buněk manipulovat ve svůj prospěch - tímto způsobem se totiž normálně rozmnožují. Vědci virem obvykle část mozku pokusných zvířat nakazí a přitom nakaženým buňkám podstrčí gen izolovaný ze světélkující medůzy, kódující výrobu barevné bílkoviny v určité skupině buněk. V roce 1997 tak bylo poprvé ověřeno, že geneticky navázané GFP barvivo může indikovat aktivitu nervových buněk při přenosu signálů.

Světélkující medůzy Aequorea victoria Mozkový ganglia ovocné mušky octomilku obarvené genem channelrhodopsinem

Pro další výzkumy se ale světélkující protein nehodí, protože vědci potřebují činnost neuronů nejenom sledovat, ale i zpětně ovlivňovat. Vhodným barvivem je zde rhodopsin, neboli tzv. oční purpur. Toto barvivo tvoří vystýlku oční sítnice a je příčinou červených očí na fotografiích, pořízených bleskovým světlem. Toto barvivo je významné tím, že při osvětlení uvolňuje elektrony, kterými se vybudí oční nerv. V roce 2002 Goero Miesenböck na pokusech s ovocnými muškami octomilkami poprvé demonstroval, že barvivo rhodopsin geneticky navázané na proteiny v nervové buňce prostřednictvím genu nazvaného channelrhodopsin může činnost neuronů také zpětně ovlivňovat elektrickými impulsy. Ovocné mušky se pro tyto pokusy zvláště dobře hodí, protože se rychle množí a jejich mozky jsou malé a lze je snadno přehlédnout pod mikroskopem. Tyto mušky donutí k vzlétnutí rozruch přenášený určitými nervovými vlákny. Navázání rhodopsinu na tyto neurony (viz obr. vpravo nahoře) a jeho osvětlením pomocí laseru byla u octomilek vybuzena úniková reakce, aniž světlo laseru vnímaly zrakem.

Fotocitlivé buňky sítnicového ganglia ipRGCs

Je poměrně málo známo, že tyčinky a čípky vybavené rhodopsinem nejsou jediné světločivné buňky v našem oku. Roztažení zornice regulují podobně jako expozimetr speciální buňky, které reagují na světlo mnohem pomaleji, aby nedošlo k vytvoření zpětné vazby a rozkmitání optické soustavy. Jsou to tzv. fotocitlivé buňky sítnicového ganglia ipRGCs. Jsou citlivé v modrofialové až ultrafialové oblasti spektra pomocí barviva melanopsinu. V oku je jich jen asi 2000 (oproti 125 millionům ostatních buněk) rozsetých v asi 5 mm oblasti okolo slepé skvrny (vyústění zrakovýho nervu na sítnici) a jejich nervový zakončení vedou přímo do hypothalamu v mezimozku. Protože sou řídce rozsety po sítnici (viz obr. výše), buňky ipRGCs nedokážou vytvořit ostrý obraz - jsou ale vysoce citlivé a spouštějí tzv. skotoskopické vidění za šera, při kterém se uplatňuje jednobarevné vidění pouze s pomocí citlivějších tyčinek.

Myš v optogenetickém experimentu napojená na optické vlákno s modrým světlem

Buňky sítnicového ganglia sou evolučně velmi staré a ovlivňují mj. řízení spánkových cirkadiánních rytmů, spojených s regulací tělesné teploty, hormonů hypofýzy a mnoha dalších faktorů. Např. myši jsou v noci aktivní, ale když se rozsvítí světlo, přestanou běhat, protože by je mohl spatřit predátor. Je to obranná reakce, odpověď na signál, který přichází do hypothalamu z gangliových buněk v sítnici. Myši s poškozenými ipRGCs receptory na rozsvícení nereagovaly, běhaly dále a jejich zornice nereagovaly na světlo, přestože jinak normálně viděly. Zabudováním genu pro tvorbu melanopsinu do nervových buněk byly vypěstovány transgenní myši, které reagovaly na osvětlení nikoliv zrakového nervu, ale pomocí modrého světla, zavedeného přímo do určité části mozku pomocí voperovaného optického kabelu. Tyto geneticky upravené myši strnuly hrůzou i v naprosté tmě, když jim bylo doslova "posvíceno na mozek".

V roce 2005 bylo pokusy na myších a makacích  ověřeno, že optogenetická stimulace může nahradit elektrody při léčbě deprese a Parkinsonovy nemoci, jejímž příznakem je mj. nezvladatelný třes a celková paralýza. Je zajímavé, že optogenetická léčba Parkinsona je ještě účinnější, pokud je doprovázená i vizuálními stimuly, tedy pokud se pokusné myši umístí do jakéhosi psychowalkmanu. Vyzkoušení této metody na lidech prozatím brání legislativní předpisy, majícími charakter celosvětově platného moratoria, protože pro její aplikaci by bylo nutné osoby nejprve podrobit genové terapii a obarvit jim část mozku barvivy pomocí DNA vpravené do tkáně prostřednictvím liposomů nebo uměle vyvolané virové nákazy např. kočičím virem, který není přenosný na člověka, ale může se přenést na potomky. Současná genová terapie je díku tomu omezena na léčbu pomocí somatických mutací, kdy genetická změna není přenášena do další generace.  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

PetrikSvětelný ovladač mozkové aktivity21:258.1.2010 21:25:37

Počet příspěvků: 1, poslední 8.1.2010 21:25:37 Zobrazuji posledních 1 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik