Η τεχνική που επιτρέπει στους επιστήμονες να ενεργοποιούν ή να «σιγούν» συγκεκριμένα νευρικά κύτταρα χρησιμοποιώντας φως βρίσκεται πίσω από το Νόμπελ Ιατρικής και Φυσιολογίας, το οποίο απονεμήθηκε στον Αμερικανό Καρλ Ντάισεροθ και στους Γερμανούς Πέτερ Χέγκεμαν και Γκέοργκ Νάγκελ. Οι τρεις επιστήμονες τιμήθηκαν για τις ανακαλύψεις τους σχετικά με τα φωτοενεργοποιούμενα ιοντικά κανάλια και την ανάπτυξη της οπτογενετικής, μιας μεθόδου που άλλαξε ριζικά τον τρόπο με τον οποίο οι ερευνητές μπορούν να μελετούν τη λειτουργία του εγκεφάλου.
Η οπτογενετική συνδυάζει τη γενετική με το φως. Οι επιστήμονες τροποποιούν επιλεγμένα κύτταρα -κυρίως νευρώνες- ώστε να παράγουν ειδικές φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες. Από τη στιγμή που οι πρωτεΐνες αυτές εγκατασταθούν στην κυτταρική μεμβράνη, το κύτταρο μπορεί να ανταποκρίνεται σε συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός. Έτσι, μια δέσμη φωτός μπορεί ουσιαστικά να λειτουργήσει σαν διακόπτης που ενεργοποιεί ή αναστέλλει τη δραστηριότητα συγκεκριμένων νευρώνων, σύμφωνα με το AP.
Στην καρδιά της τεχνικής βρίσκονται πρωτεΐνες όπως οι channelrhodopsins (καναλοροδοψίνες), οι οποίες προέρχονται από μικροοργανισμούς όπως τα πράσινα φύκια. Όταν φωτιστούν με συγκεκριμένο χρώμα φωτός, αλλάζουν τη διαπερατότητα της κυτταρικής μεμβράνης στα ιόντα. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να προκληθεί ηλεκτρική διέγερση του νευρώνα και να δημιουργηθεί νευρική ώση. Άλλες φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες μπορούν αντίθετα να χρησιμοποιηθούν για την καταστολή της ηλεκτρικής δραστηριότητας.
Η μεγάλη δύναμη της οπτογενετικής βρίσκεται στην ακρίβεια. Αντί να διεγείρεται μια ολόκληρη περιοχή του εγκεφάλου, οι ερευνητές μπορούν να στοχεύσουν συγκεκριμένους τύπους νευρικών κυττάρων και να μεταβάλουν τη λειτουργία τους σε χρονική κλίμακα ακόμη και χιλιοστών του δευτερολέπτου. Το αποτέλεσμα είναι ότι μπορούν πλέον όχι απλώς να παρατηρούν ποια περιοχή του εγκεφάλου ενεργοποιείται κατά τη διάρκεια μιας συμπεριφοράς, αλλά να εξετάζουν αν η ενεργοποίηση συγκεκριμένων νευρώνων προκαλεί την ίδια τη συμπεριφορά.
Από τα φύκια στον εγκέφαλο
Η ιστορία της ανακάλυψης που οδήγησε στο φετινό Νόμπελ άρχισε στις αρχές της δεκαετίας του 1990. Τότε ο Πέτερ Χέγκεμαν μελετούσε τον τρόπο με τον οποίο το μονοκύτταρο πράσινο φύκι Chlamydomonas αντιδρά σχεδόν ακαριαία στο φως. Η έρευνα οδήγησε στην ιδέα ότι μια πρωτεΐνη μπορούσε ταυτόχρονα να ανιχνεύει το φως και να λειτουργεί ως ιοντικό κανάλι.
Ο Γκέοργκ Νάγκελ δοκίμασε την υπόθεση εισάγοντας γονίδια του Chlamydomonas σε άλλα κύτταρα και η δουλειά των ερευνητών οδήγησε στην αναγνώριση της channelrhodopsin-2 (ChR2), ενός φωτοευαίσθητου ιοντικού καναλιού. Το 2003, οι ερευνητές έδειξαν ότι η πρωτεΐνη μπορούσε να εισαχθεί σε κύτταρα θηλαστικών και να χρησιμοποιηθεί το φως για την παραγωγή ηλεκτρικών σημάτων.
Η επόμενη καθοριστική κίνηση έγινε από τον Καρλ Ντάισεροθ στο Στάνφορντ. Το 2005 έδειξε ότι η ίδια αρχή μπορούσε να εφαρμοστεί σε νευρικά κύτταρα θηλαστικών, επιτρέποντας τη χρήση του φωτός για τον έλεγχο της ηλεκτρικής τους δραστηριότητας. Έναν χρόνο αργότερα καθιερώθηκε για τη συγκεκριμένη προσέγγιση ο όρος οπτογενετική.
Η σημασία της τεχνικής για τη νευροεπιστήμη είναι τεράστια, επειδή επιτρέπει να συνδεθούν συγκεκριμένα νευρωνικά κυκλώματα με συγκεκριμένες λειτουργίες. Ο Ντάισεροθ, για παράδειγμα, χρησιμοποίησε την οπτογενετική για να ελέγξει κινήσεις σε ποντίκια μέσω της ενεργοποίησης νευρώνων στον κινητικό φλοιό, αλλά και για να διερευνήσει κυκλώματα που σχετίζονται με την εγρήγορση και τον ύπνο, σύμφωνα με το Reuters.
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί στον άνθρωπο;
Παρά την τεράστια επίδρασή της στην έρευνα, η οπτογενετική δεν αποτελεί σήμερα καθιερωμένη θεραπεία για τις νευρολογικές ή ψυχιατρικές παθήσεις. Για να εφαρμοστεί στον εγκέφαλο απαιτείται, μεταξύ άλλων, να τροποποιηθούν συγκεκριμένα κύτταρα ώστε να γίνουν φωτοευαίσθητα και να βρεθεί ασφαλής τρόπος να φτάσει το φως στην κατάλληλη περιοχή. Η ανάγκη γενετικής παρέμβασης, η διείσδυση του φωτός στους ιστούς και η ακριβής επιλογή των νευρώνων που πρέπει να στοχευθούν αποτελούν σημαντικά εμπόδια.
Μία από τις πιο εντυπωσιακές μέχρι σήμερα εφαρμογές στον άνθρωπο αφορά, πάντως, την αποκατάσταση της όρασης. Το 2021 ανακοινώθηκε ότι ένας 58χρονος άνδρας, ο οποίος είχε χάσει την όρασή του λόγω μελαγχρωστικής αμφιβληστροειδοπάθειας, κατάφερε να ανακτήσει μέρος της οπτικής του λειτουργίας έπειτα από πειραματική οπτογενετική θεραπεία, όπως έγραφε ο Guardian. Οι γιατροί χρησιμοποίησαν έναν τροποποιημένο ιό για να μεταφέρουν στα γαγγλιακά κύτταρα του αμφιβληστροειδούς τις οδηγίες παραγωγής μιας φωτοευαίσθητης πρωτεΐνης και ειδικά γυαλιά για να μετατρέπουν τις εικόνες του περιβάλλοντος σε κατάλληλους φωτεινούς παλμούς.
Παρελθοντικά, οι επιστήμονες μπορούσαν σε μεγάλο βαθμό να παρατηρούν ποιες περιοχές του εγκεφάλου σχετίζονται με μία λειτουργία ή να διεγείρουν σχετικά μεγάλες περιοχές χωρίς μεγάλη κυτταρική εξειδίκευση. Η οπτογενετική πρόσθεσε κάτι διαφορετικό: τη δυνατότητα να επιλεγεί συγκεκριμένος τύπος νευρώνα, να ενεργοποιηθεί με εξαιρετική χρονική ακρίβεια και στη συνέχεια να παρατηρηθεί τι αλλάζει στη λειτουργία ενός κυκλώματος ή στη συμπεριφορά ενός οργανισμού. Με άλλα λόγια, έδωσε στους νευροεπιστήμονες έναν τρόπο να περάσουν από την απλή παρατήρηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας στη διερεύνηση σχέσεων αιτίου και αποτελέσματος.
Ειδήσεις σήμερα
Καρκίνος πνεύμονα και αναπνευστικές λοιμώξεις στο επίκεντρο επιστημονικής συνάντησης στη Θεσσαλονίκη
