Hjärnkontroll med ljus: Det är möjligt med optogenetik

Annons

Medicinska forskare har studerat hjärnan i mer än femhundra år - och efter all den tiden har det gåtfulla organet fortfarande gott om hemligheter. Slutligen, under bara de senaste åren, dyker upp en ny teknik som kallas "optogenetik", som kan hjälpa forskare att avslöja hjärnans hemligheter (och behandla dess störningar) på ett helt nytt sätt.

Varför behöver vi optogenetik?

På många sätt är det fantastiskt att psykiatrisk medicin fungerar alls. Den senaste tekniken - den allra bästa moderna vetenskapen kan göra - uppgår till att fördjupa hjärnan i ett kemiskt bad och hoppas att det gör den enda saken vi är intresserad av. Och... det fungerar typ! Ibland.

Det finns läkemedel som är mycket kraftfulla för att behandla depression, OCD, bipolär sjukdom och Parkinsons sjukdom. De är ofta tappade av obehagliga biverkningar. Läkemedlen som fungerar bra upptäcktes ofta av något annat än prövning och fel. I många fall har forskare inte en detaljerad förståelse för hur hjärnan fungerar för att uppnå normal funktion - eller hur den fungerar när den inte fungerar. Dessa kunskapsgap är svåra att hantera genom traditionella sätt att studera hjärnan och begränsar förmågan att utveckla effektiva terapier.

Vad psykiatriker och neurologer verkligen skulle vilja är total läs-skrivåtkomst till hjärnan: förmågan att nå in i någons huvud och locka eller undertrycka godtyckliga grupper av nervceller, med en neuronupplösning, vilket låter oss isolera de populationer som är dysfunktionella och korrigera deras beteende i realtid. Tyvärr är det opraktiskt att knäcka någons huvud öppet och köra ledningar till varje neuron.

Löften för optogenetik är att det faktiskt kan låta läkare uppnå något nära den typen av tillgång.

Hur forskare använder ljus för att kontrollera hjärnan

Så här fungerar det: först injicerar forskare ämnet med ett genetiskt manipulerat virus, utformat för att infektera hjärnvävnad. Hundratals miljarder kopior av viruset översvämmar hjärnan och injicerar deras nyttolaster i nervcellerna när de möter dem.

Dessa virus är inte skadliga: istället för att leverera en skadlig, självreplikerande nyttolast har dessa virus konstruerats av forskare levererar en godartad DNA-sträng som kodar för speciella ytproteiner som svarar på specifika våglängder för ljus. Virusna fungerar helt enkelt som engångssprutor för att leverera det speciella DNA till cellerna.

Neuronerna inkluderar detta speciella DNA, och, om förhållandena är rätt, uttrycker ytproteiner som får dem att skjuta när de stimuleras med ljus - samma slags proteiner som används av mänskliga näthinneceller för att upptäcka ljus och form bilder. Genom att förändra DNA: et för att vara pickier när det uttrycker sig, kan forskare välja vilka typer av neuroner (det finns tusentals sorter) som uttrycker ytproteinet och kommer att svara på ljus.

Sedan genom att noggrant kontrollera var ljuset lyser på hjärnan, de specifika platserna som stimuleras eller deprimerad kan styras med sub-millimeter precision, en grad av kontroll som aldrig tidigare varit möjlig. Ännu bättre kan många områden i hjärnan påverkas utan att behöva skära i eller tråden i hjärnämnet, vilket gör proceduren mycket säkrare än konventionella former av hjärnstimulering.

Enligt Ed Boyden, professor i bioingenjör och neurovetenskap vid MIT,

Om du kan kontrollera celler i hjärnan kan du ta reda på vad deras makt är, vad de kan påverka - och också om du kan kontrollera celler i hjärnan som du kan fixa avvikande hjärntillstånd, och du kan skapa nya typer av terapi, resplettera beräkningarna som har gått fel i en neurologisk eller psykiatrisk oordning

Du kan titta på en ganska teknisk (men extremt intressant) föreläsning om teknikerna och metodiken nedan:

Vad kan du göra med optogenetik?

Föreställ dig att en forskare vill bättre förstå hur depression fungerar. Så forskaren samlar några deprimerade möss (fråga inte hur forskare skapar deprimerade möss, du vill inte veta det) och börjar testa.

De kontrollerar olika typer av nervceller och olika regioner i hjärnan och ser vad som händer när du stimulerar eller deprimerar dessa områden och dessa typer av neuroner. Vissa experimentgrupper blir lyckligare - andra blir deprimerade: de flesta gör inget. Genom att begränsa vilka populationer som är relaterade och hur de påverkar resultatet bygger forskaren långsamt en djup, detaljerad funktionskarta över hjärnan: isolera glädets maskiner.

Detta är den typ av experiment som optogenetik möjliggör, och det står för att ge forskare en djupare förståelse för olika mentala funktioner och hur de kan gå fel.

Redan har optogenetik lett till några intressanta potentiella insikter i hörsel hallucinationer av schizofreni. Enligt Dr. Karl Deisseroth från Stanford University, det nu verkar troligt att rösterna faktiskt är normala komponenter i den inre monologen som tolkas felaktigt som yttre påverkan.

”Det kan vara en dåligt erkänd version av interna tankar. På något sätt går informationen om att en tanke verkligen kommer från sig själv. Det ses som en främmande sak, en röst som talar. [...] [Före optogenetik] fanns det inget sätt att veta detta eftersom det inte fanns något sätt att selektivt kontrollera [cellerna] på rätt tidsskala. ”

Dessa slags insikter är vetenskapligt viktiga och kan leda till bättre läkemedel och terapier, samt att svara på antika mysterier om naturen av medvetande och intelligens Tänkande maskiner: Vad neurovetenskap och konstgjord intelligens kan lära oss om medvetandeKan bygga konstgjorda intelligenta maskiner och programvara lära oss om hur medvetandet fungerar och människans sinnes natur? Läs mer .

Inom en snar framtid kan läkare kunna ta de insikter de får från dessa experiment, vända dem, och använda optogenetik på faktiska patienter för att påverka neurologiska aktiviteter som bidrar till depression. Optogenetik gör det möjligt för läkare att inte bara studera hjärnan utan också förändra den med mycket större precision än vad som tidigare varit möjligt.

Bygga en Sanity Hat

Tyvärr är det förmodligen inte möjligt att använda optogenetik på människor icke-invasivt. Skallen är helt enkelt för tjock, så det är nödvändigt att mata fiberoptiska kablar genom den. Detta är en större kirurgi och har risker med det, utöver vad som normalt är involverat i att påbörja en kurs med psykiatrisk medicin.

Emellertid kan terapierna i fråga ha potential att bli mycket effektivare och har färre biverkningar, så det kommer sannolikt att vara värt det för många patienter. Det har redan forskats om användning av elektriska hjärnpacemakare för att behandla svår depressionoch resultaten är mycket lovande. Framtida terapier baserade på optogenetik kommer sannolikt att vara mindre invasiva och mer effektiva: när hjärnan är riggad med rätt positionerad fiberoptiska kablar, kanske insatta genom näsan för att undvika att kranan bryts, resten av hårdvaran kan förvaras externt, för enkelt tillgång. Implantatet självt (fiberoptiska kablar och laserdioder) skulle bara behöva ström och en styrsignal, saker som en dag kan tillhandahållas trådlöst.

Resten av hårdvaran (datorn, batteriet och så vidare) kan potentiellt bäras externt, vilket gör att patientens läkare kan omprogrammera den efter behov utan att behöva ytterligare kirurgi.

Utöver korrigering av psykisk sjukdom ger optogenetik också ett mycket mer biokompatibelt och mindre invasivt sätt att direkt stimulera nervceller i hjärnan och kroppen än konventionella implanterade elektroder, som skulle gå långt mot framställning transhumanistiska prestationsförbättrande implantat Pluggar i din hjärna och kropp - Framtiden för implanterade datorerMed den nuvarande trenden med teknisk innovation och framsteg är det nu en bra tid att utforska den senaste tekniken inom datormänskliga tekniker. Läs mer mer praktiskt.

För att vara tydlig är allt fortfarande långt borta: optogenetik är ett allmänt använt forskningsverktyg just nu (vi har täckte experiment med det tidigare Lättminneexperiment påverkar mösshjärnor som en MIB NeuralyzerKommer du ihåg när Kommer Smith och Tommy Lee Jones använde neuralysatorn för att radera människors minnen? Tja, UC Davis-forskare har framgångsrikt "raderat specifika minnen" inom möss med ljus. Läs mer ). Emellertid är dess roll som klinisk terapi minst ett decennium eller två borta och kan mycket väl ersättas med andra tekniker som kan ge liknande resultat mindre invasivt.

Fortfarande är utsikterna spännande och vissa applikationer kan komma förr. Till exempel är det möjlig att använda optogenetik för att bygga bättre cochleaimplantat med mycket större precision.

Är det inte riktigt läskigt?

Några av er som läser detta drar redan dina tennfoliehattar hårdare runt dina öron, och det är helt rättvist: den här typen av tillgång till hjärnan är enastående utanför ett visst märke av hysterisk vetenskap fiktion. Potentialen för missbruk är åtminstone värt att diskutera.

Om du kan utöva tillräckligt med kontroll över hjärnan för att fixa depression och schizofreni och personlighetsstörningar, kan du göra det också kunna utöva tillräckligt med kontroll för att omprogrammera någons sexuella läggning - eller lobotomisera rodna barn och fångar. Riskerna för föräldrar som försöker använda sådan teknik för att tvinga identitetsändringar på sina barn är en som öppnar helt nya etiska problem som medicinen kommer att hantera för första gången någonsin.

Utöver detta, från ett enkelt datasäkerhetsperspektiv, är många moderna medicinska enheter helt enkelt inte tillräckligt säkra och kan hackas, i vissa fall trådlöst. Den typen av kompromisser är det skrämmande nog med en pacemaker, men det blir riktigt skrämmande när du överväger utsikterna att en angripare (potentiellt) kan apa runt i huvudet utan tillstånd.

Forskarna som arbetar med dessa terapier är inte medvetna om dessa problem. Karl Deisseroth tog upp samma poäng i samma intervju som citerades ovan:

”Optogenetikens specificitet väcker frågan om hur exakt man skulle kunna justera en hjärna för att verkligen skapa en individ med olika behov, önskningar, prioriteringar, känslor […] finns det också en störande aspekt som väcker frågor om frihet kommer."

Ändå är dessa problem svaga i jämförelse med det enorma antalet människor som lider hemskt av för närvarande obehandlade psykiatriska sjukdomar som optogenetik har potential att hjälpa. Denna teknik är mer användbar än den är farlig, och eftersom den utvecklats under de närmaste decennierna, kan den radikalt förändra karaktären av psykisk terapi.

Vad tror du? Läskigt, coolt eller någonstans däremellan? Har optogenetik potentialen att hjälpa dig personligen? Låt oss veta i kommentarerna!

Bildkredit: nervceller Via Shutterstock, "Aluminium folie," av Russ Walker