Naši možgani so osupljivo kompleksen organ, katerega delovanje zaposluje raziskovalce od antike. Kako lahko organ, težak le približno 1,3 kilograma, shranjuje otroške spomine, sanje in ustvarjalne ideje? Kako je lahko vir občutkov veselja, ljubezni in ljubosumja? Kako uravnava srčni utrip, ritem dihanja in cikel spanja?
V dvajsetem stoletju so strokovnjaki uspešno ugotovili, katera območja možganov nadzirajo različne fiziološke funkcije. To je bilo neprecenljivo pomembno znanje, vendar so bile razpoložljive metode razmeroma grobe, zato ni bilo mogoče dokazati, ali določena vrsta živčnih celic neposredno povzroča določen občutek ali vedenje. Podoba možganov je bila torej kot zamegljena fotografija, na kateri je manjkalo veliko podrobnosti.
Francis Crick je bil eden tistih, ki so sanjali o natančnejših orodjih za raziskovanje izjemno kompleksnega omrežja živčnih celic v možganih. Nekaj desetletij po odkritju dvojne vijačnice DNK leta 1953 je začel raziskovati mehanizme, ki omogočajo človeško zavest, in v ta namen, kako bi lahko aktivirali posamezne živčne celice v živih možganih. Prenos signalov v živčnih celicah je izjemno hiter. Da bi lahko sledili tej hitrosti, je Crick sklenil, da bi bila najverjetneje idealna rešitev uporaba svetlobe.
Če bi molekularni biologi lahko nekako manipulirali živčne celice in jih prisilili, da se odzivajo na svetlobo, bi morda lahko nadzirali živčno aktivnost.
Crick sam je priznal, da se njegova zamisel zdi neverjetna, a da bi se jo nekega dne morda lahko uresničilo.
Crickova divja zamisel je danes postala resničnost. Karl Deisseroth, Peter Hegemann in Georg Nagel za odkritje molekularnega stikala živčnih celic prejmejo Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino za leto 2026. Raziskovalci danes s pomočjo svetlobe lahko v možganih vklapljajo ali izklapljajo posamezna živčna vezja. Tako lahko obujajo spomine, vzbujajo občutke, usmerjajo vedenjske vzorce in proučujejo vrste živčnih celic, ki imajo vlogo pri različnih psihiatričnih in nevroloških motnjah. Metoda, imenovana optogenetika, v temeljih spreminja naše védenje o možganih, poleg tega pa ponuja pomemben vpogled v to, kako živčni sistem sodeluje z različnimi celicami v drugih delih telesa, na primer v srcu in delih črevesja.
Hitro odzivne alge
Pot do optogenetike se je začela z na videz oddaljenim korakom: Peter Hegemann, sodelavec Inštituta Max Planck za biokemijo, je v zgodnjih devetdesetih letih začel proučevati, kako lahko enocelična alga z imenom Chlamydomonas hitro reagira na svetlobo. Chlamydomonas je znana po tem, da zna plavati proti svetlobi: če jo v petrijevki zmešajo s hranilno raztopino in osvetlijo eno stran posode, postane zelena barva na strani vira svetlobe precej močnejša, ker mikroskopske alge priplavajo tja. Enocelične alge zaznavajo svetlobo s svojo očesno pego. To je drobna oranžna pika na površini celice, ki vsebuje svetlobno občutljivo molekulo, imenovano retinal.
Hegemann je proučeval očesno pego alg. S pomočjo drobnih elektrod je meril električne signale, ki so nastajali v algi Chlamydomonas, ko so očesno pego osvetlili. Alge so se odzvale neverjetno hitro: komaj pol milisekunde po tem, ko je svetloba dosegla očesno pego, je nastal električni impulz.
V primerjavi z drugimi biološkimi sistemi, ki so jih raziskovalci takrat poznali, je bilo to izjemno hitro. Svetloba, ki doseže človeško oko, sproži kompleksno kemično verižno reakcijo, ki jo sestavlja vrsta različnih korakov. Zadnji protein v tej verigi – ionski kanal – oblikuje odprtino na površini celice, skozi katero lahko tečejo električno nabiti ioni in tako ustvarijo električni signal. Celoten proces traja vsaj 10 milisekund.
Kako je torej mogoče, da je odziv na svetlobo pri algi več kot dvajsetkrat hitrejši kot v našem lastnem očesu?
Hegemannu je za ta odziv padla na misel le ena razlaga: proces v algi Chlamydomonas je verjetno veliko preprostejši kot v človeškem očesu. Domnevno obstaja en sam proteinski kompleks, ki hkrati ujame svetlobo in deluje kot ionski kanal. Njegov predlog so drugi sprejeli skeptično. V tistem času so raziskovalci že poznali številne različne vrste ionskih kanalov, vendar noben ni mogel sam reagirati na svetlobo.
Da bi preizkusil svojo hipotezo, je Hegemann poskušal izolirati svetlobno občutljivi protein alge Chlamydomonas. A to je bilo lažje reči kot narediti. Ko so beljakovine iz očesne pege alg izvlekli iz njihovega naravnega okolja, so postale nestabilne in so se zlahka poškodovale, kar je otežilo njihovo proučevanje. Okoli preloma tisočletja pa je raziskovalna skupina po letih neuspehov naredila zanimivo odkritje. Japonski strokovnjaki so preslikali DNK alge Chlamydomonas in naredili dostopno genetsko kodo več tisoč genov. Med njimi je Hegemannova skupina našla dva gena, ki sta kazala bistveno podobnost z znanimi geni svetlobno občutljivih proteinov.
Žabe in proteini
Hegemann je na tej točki vzpostavil stik s kolegom, Georgom Nagelom, sodelavcem Inštituta Max Planck za biofiziko. Nagel je imel potrebno znanje, da naredi naslednji odločilni korak k tehniki, ki je pozneje revolucionirala nevroznanost.
Nagel je za proučevanje proteinov uporabljal jajčne celice žab. Ko je dobil oba gena alge Chlamydomonas, je njune kopije ločeno vbrizgal v različne skupine žabjih jajčnih celic, ki so nato množično začele proizvajati oba neznana proteina. Proteina sta bila na površini jajčnih celic, v membrani. Nagel je nato lahko proučil, kako delujeta, in hitro ugotovil, da je bila hipoteza, ki jo je Hegemann oblikoval desetletje prej, pravilna: na novo odkrita proteina sta bila ionska kanala, ki sta se pod vplivom svetlobe odprla.
Ta proteina so poimenovali kanalrodopsin-1 (ChR1) in kanalrodopsin-2 (ChR2). Tako kot v Hegemannovem poskusu je tudi Nagelova karakterizacija ChR2 pokazala, da se protein izjemno močno in hitro odziva na svetlobne impulze.
Ob svetlobnem dražljaju se je kanal na površini žabje jajčne celice odprl v 0,2 milisekunde, nato so skozenj stekli pozitivno nabiti ioni, kar je povzročilo električni signal.
Hegemann in Nagel sta hitro spoznala, da sta naredila zelo pomembno odkritje, ki bi ga lahko uporabili tudi drugje. Poskusila sta tudi vnesti gen za ChR2 v embrionalne človeške ledvične celice in hrčkove ledvične celice. Celice so postale svetlobno občutljive: ko so jih izpostavili svetlobi, so ustvarile električni signal. Hegemann in Nagel sta rezultate svojega poskusa objavila leta 2003. Predlagala sta, da se lahko ChR2 uporablja kot učinkovito orodje za ustvarjanje električnih impulzov v celicah s pomočjo svetlobe.
Odločen nevrolog
Naslednji preboj gre zahvaliti mlademu raziskovalcu s Stanforda. Ko je Karl Deisseroth v devetdesetih letih začel študij medicine, se je pripravljal na kariero nevrokirurga, a je del izobraževanja opravil na psihiatrični kliniki, kjer je nanj globoko vplivalo trpljenje bolnikov. Takrat je začel razmišljati, kako lahko možgani pri različnih ljudeh delujejo tako različno. Zakaj je občutek veselja za depresivne tako težak? Kaj povzroča avtizem ali shizofrene blodnje?
Nazadnje je doktoriral iz nevroznanosti, v svojih raziskavah pa je v laboratoriju proučeval tanke rezine možganov v petrijevkah. Tudi te raziskave so privedle do pomembnih spoznanj, vendar je hitro ugotovil, da mora za razumevanje dejanskih bolezni proučevati tudi, kako živčne celice delujejo v živih možganih.
Tudi drugi raziskovalci so delali na razvoju metod, ki omogočajo uravnavanje aktivnosti določenih živčnih celic na način, ki ga je predlagal Francis Crick. Mnogi med njimi pa so se bali, da zapravljajo čas in denar za nekaj, kar se zdi nerealne sanje. Deisseroth pa se je odločil, da mora tvegati: zdravljenja, ki jih je lahko ponudil svojim bolnikom, so bila redko učinkovita in so pogosto povzročala hude stranske učinke. Odločil se je, da mora, če želi najti boljše terapije, vedeti več o možganih.
Ko je Deisseroth ustanovil svojo raziskovalno skupino, so začeli iskati proteine, s katerimi bi lahko sprožali električne impulze v živčnih celicah.
Ravno so preizkušali več kandidatov, ko je Deisseroth prvič slišal za odkritje ChR2. Hitro je vzpostavil stik z Georgom Nagelom in ga vprašal, ali lahko dobi dostop do DNK, ki kodira ta protein.
Ko je DNK prispela v Deisserothov laboratorij, jo je raziskovalec vnesel v živčne celice podgan, vzgojene v petrijevkah. Sprva se je bal, da bo tuj gen negativno vplival na občutljive živčne celice, a so te očitno brez vsakih težav začele proizvajati ChR2. Ko je raziskovalna skupina živčne celice izpostavila modri svetlobi, so se te takoj odzvale. Svetloba je sprožila živčni signal, ki se je lahko širil na druge živčne celice.
Deisserothova raziskovalna skupina je rezultate objavila leta 2005. Dosegli so odločilen mejnik, čeprav se je Deisseroth zavedal, da je pred njim še dolga pot do cilja: uravnavanja aktivnosti živčnih celic pri živih živalih.
Strah na daljinsko upravljanje
Karl Deisseroth je sprožil številna sodelovanja, med drugim tudi s Peterjem Hegemannom in Georgom Nagelom. Svoje odkritje je delil tudi z drugimi strokovnjaki, ki so prepoznali ogromen potencial. Kmalu so odkrili vrsto novih proteinov, ki lahko vklapljajo in izklapljajo živčne celice in jih aktivirajo svetlobni signali različnih valovnih dolžin.
Nova metoda je leta 2006 dobila ime optogenetika. Leto pozneje je Deisseroth uspešno aktiviral živčne celice v možganih živih miši. Njegova raziskovalna skupina je vnesla gen za ChR2 v določeno vrsto živčnih celic v motorični skorji, nato pa so živčne celice osvetlili s tankim optičnim vlaknom, speljanim skozi lobanjo.
To jim je omogočilo, da so nadzirali premikanje miškinih brkov.
Istega leta je Deisseroth v sodelovanju z drugimi raziskovalci z optogenetiko nadzorovano prebudil speče miši. Raziskovalna skupina je ChR2 vnesla v vrsto živčnih celic, ki so jo odkrili nekaj prej in za katero so domnevali, da uravnava budnost. Ko so svetlobo usmerili v živčne celice, so se miši prebudile, kar je potrdilo hipotezo.
Še eno znano delo iz zgodnjega obdobja optogenetike je izšlo leta 2012. Susumu Tonegawa in Deisseroth sta uspešno aktivirala engram ali spominsko sled, torej specifičen vzorec živčnih poti, ki nastane ob oblikovanju spomina. Raziskovalca sta proučevala možgane miši, medtem ko so doživljale strah, in opazovala, katere živčne celice delujejo ob oblikovanju spomina na doživetje.
Ko sta te živčne celice pozneje znova aktivirala, so miši kazale znake strahu, čeprav takrat niso bile v nevarnosti.
To je bil prvi poskus, v katerem so raziskovalci lahko natančno dokazali, katere živčne celice so potrebne za določen spomin.
Nova doba v nevroznanosti
Sposobnost, da je zdaj v možganih mogoče ciljno aktivirati posamezne vrste živčnih celic, je v temeljih spremenila razumevanje tega neverjetnega organa. V odraslih človeških možganih je približno 90 milijard živčnih celic, od katerih vsaka vzpostavi več tisoč povezav z drugimi živčnimi celicami. V mnogih primerih pot, ki izhaja iz ene živčne celice, sega do povsem drugega območja možganov, medtem ko so lahko živčne celice, ki nadzirajo povsem različne telesne funkcije, med seboj tesno prepletene.
S pomočjo optogenetike lahko raziskovalci zdaj natančno ugotovijo, katere živčne celice v zapleteni živčni vezi nadzirajo različne možganske funkcije. Tako so na primer identificirali živčna vezja, ki nadzirajo zaznavanje bolečine, socialno vedenje, žejo, uživanje hrane, nagrajevanje in pozornost. Poleg tega so odkrili tudi živčne celice, ki so odgovorne za najrazličnejše funkcije, od uravnavanja cirkadianega ritma do nastanka vročine ob aktivaciji imunskega sistema.
Pri proučevanju kompleksnejših oblik vedenja so raziskovalci odkrili tudi, da lahko različne elemente vedenja nadzirajo ločena živčna vezja. Eno vezje na primer uravnava, kako miši zbirajo mladiče v gnezdu, drugo pa, kako skrbijo zanje.
Optogenetiko je mogoče uporabiti tudi za preslikavo celičnih funkcij zunaj živčnega sistema in možganov. Deisseroth je dokazal, da lahko srčni utrip vpliva na naša čustva: če mora srce delati intenzivneje, se lahko poveča občutek tesnobe. Drugi raziskovalci so v črevesju identificirali specifične celice, ki morda pojasnjujejo, zakaj nekateri raje jedo sladkor kot sladila – in to je le nekaj izmed številnih primerov.
***
Strokovnjaki zelo upajo, da bo védenje, pridobljeno z optogenetiko, privedlo do novih medicinskih zdravljenj, in to se je že začelo uresničevati. Metoda je omogočila globlje razumevanje značilnosti psihiatričnih in nevroloških motenj, kot so depresija, tesnoba, shizofrenija, Alzheimerjeva bolezen in Parkinsonova bolezen.
Raziskovalci so naredili tudi prve korake k uporabi optogenetike kot medicinskega zdravljenja. Že zdaj potekajo klinične raziskave, katerih cilj je povrniti vid tistim, ki so oslepeli zaradi pigmentne retinopatije, ki uničuje paličice in čepnice v očesu.
Ko so v mrežnico takega bolnika vnesli protein, podoben ChR2, je oseba delno ponovno pridobila vid. S pomočjo posebnih očal, ki oddajajo svetlobo, pa je lahko razlikovala in prijela tudi predmete na mizi.
Obstaja tudi upanje, da lahko optogenetika izboljša delovanje polžnih vsadkov. Trenutno ti vsadki slušni živec stimulirajo z električnim tokom. Če bi bilo namesto tega mogoče uporabiti optogenetiko, bi vsadek lahko aktiviral slušni živec z večjo natančnostjo.
