Kontrola mózgu za pomocą światła Jest to możliwe dzięki optogenetyce

Naukowcy zajmujący się medycyną badają mózg od ponad pięciuset lat - a po tym wszystkim enigmatyczny narząd wciąż kryje wiele tajemnic. Wreszcie, w ciągu ostatnich kilku lat, nazwano nową techniką “optogenetyka” pojawia się, co może pomóc naukowcom odkryć tajemnice mózgu (i leczyć jego zaburzenia) w zupełnie nowy sposób.

Dlaczego potrzebujemy Optogenetics?

Pod wieloma względami to niesamowite, że leki psychiatryczne w ogóle działają. Najnowocześniejsza technika - najlepsza współczesna nauka - sprowadza mózg do kąpieli chemicznej i ma nadzieję, że zrobi to, co nas interesuje. I… to działa! Czasami.

Istnieją leki, które są bardzo silne w leczeniu depresji, ZO-K, choroby afektywnej dwubiegunowej i choroby Parkinsona. Często są one pełne nieprzyjemnych efektów ubocznych. Leki, które działają dobrze, często były wykrywane jedynie metodą prób i błędów. W wielu przypadkach naukowcy nie mają szczegółowego zrozumienia, w jaki sposób mózg działa w celu osiągnięcia normalnej funkcji - ani w jaki sposób działa, gdy działa nieprawidłowo. Luki w wiedzy trudno jest uzupełnić tradycyjnymi metodami badania mózgu i ograniczają zdolność do opracowywania skutecznych terapii.

Tym, co naprawdę chcieliby psychiatrzy i neurolodzy, jest całkowity dostęp do odczytu i zapisu w mózgu: zdolność sięgania do czyjejś głowy i wzbudzania lub tłumienia dowolnych grup neuronów z rozdzielczością pojedynczych neuronów, pozwalając nam izolować populacje dysfunkcyjne i korygować ich zachowanie w czasie rzeczywistym. Niestety pękanie czyjejś głowy i prowadzenie przewodów do każdego neuronu jest niepraktyczne.

Obietnica optogenetyki polega na tym, że może ona faktycznie pozwolić lekarzom osiągnąć coś zbliżonego do tego rodzaju dostępu.

Jak naukowcy wykorzystują światło do kontrolowania mózgu

Oto, jak to działa: po pierwsze, badacze wstrzykują badanego wirusa genetycznie zmodyfikowanym, zaprojektowanym do infekowania tkanki mózgowej. Setki miliardów kopii wirusa zalewają mózg, wstrzykując ich ładunki do komórek nerwowych, gdy je napotykają.

Wirusy te nie są szkodliwe: zamiast dostarczać złośliwą, samoreplikującą się zawartość, wirusy te zostały zaprojektowane przez naukowców w celu dostarczenia łagodnej nici DNA, która koduje specjalne białka powierzchniowe, które reagują na określone długości fali światła. Wirusy służą po prostu jako jednorazowe strzykawki do dostarczania specjalnego DNA do komórek.

Neurony zawierają to specjalne DNA i, jeśli warunki są odpowiednie, wyrażają białka powierzchniowe, które powodują ich ogień po stymulacji światłem - te same rodzaje białek, które są wykorzystywane przez ludzkie komórki siatkówki do wykrywania światła i tworzenia obrazów. Zmieniając DNA, aby był bardziej wyrazisty, gdy wyraża się, naukowcy mogą wybrać, które rodzaje neuronów (istnieją tysiące odmian) wyrażają białko powierzchniowe i będą reagować na światło.

Następnie, poprzez staranne kontrolowanie, gdzie światło pada na mózg, określone miejsca, które są stymulowane lub przygnębione, mogą być kontrolowane z dokładnością poniżej milimetra, a stopień kontroli nigdy wcześniej nie był możliwy. Co więcej, na wiele obszarów mózgu można wpływać bez konieczności przecinania drutów przez nici mózgowe, co czyni procedurę znacznie bezpieczniejszą niż konwencjonalne formy stymulacji mózgu.

Według Eda Boydena, profesora bioinżynierii i neuronauki w MIT,

Jeśli potrafisz kontrolować komórki w mózgu, możesz dowiedzieć się, jaka jest ich moc, na co mogą wpływać - a także, jeśli możesz kontrolować komórki w mózgu, możesz naprawić nieprawidłowe stany mózgu i możesz stworzyć nowe rodzaje terapii , przeliczając obliczenia, które poszły nie tak w zaburzeniu neurologicznym lub psychiatrycznym

Poniżej możesz obejrzeć dość techniczny (ale niezwykle interesujący) wykład na temat technik i metodologii:

Co możesz zrobić z optogenetyką?

Wyobraź sobie, że badacz chce lepiej zrozumieć, jak działa depresja. Badacz zbiera myszy z depresją (nie pytaj, jak badacze tworzą myszy z depresją, nie chcesz wiedzieć) i rozpoczyna testowanie.

Sprawdzają różne rodzaje neuronów i różne obszary mózgu i widzą, co się dzieje, gdy stymulujesz lub depresujesz te obszary i tego rodzaju neurony. Niektóre grupy eksperymentalne stają się szczęśliwsze - inne wpadają w depresję: większość nie. Poprzez zawężenie, które populacje są powiązane i jak wpływają na wynik, badacz powoli buduje głęboką, szczegółową mapę funkcjonalną mózgu: izolując machiny radości.

Jest to rodzaj eksperymentu, który umożliwia optogenetyka, i zapewnia naukowcom głębsze zrozumienie różnych funkcji umysłowych i sposobów, w jakie mogą pójść nie tak.

Już teraz optogenetyka doprowadziła do interesujących potencjalnych wglądów w halucynacje słuchowe schizofrenii. Według dr Karla Deisserotha z Uniwersytetu Stanforda wydaje się teraz prawdopodobne, że głosy są w rzeczywistości normalnymi składnikami monologu wewnętrznego błędnie interpretowanymi jako wpływ zewnętrzny.

“Może to być słabo rozpoznana wersja wewnętrznych myśli. W jakiś sposób informacja, że ​​myśl naprawdę pochodzi od samego siebie, została utracona. Jest postrzegany jako obca rzecz, mówiący głos. […] [Przed optogenetyką] nie było sposobu, aby to wiedzieć, ponieważ nie było sposobu selektywnej kontroli [komórek] we właściwej skali czasowej.”

Tego rodzaju spostrzeżenia są naukowo ważne i mogą prowadzić do lepszych leków i terapii, a także do odpowiedzi na starożytne tajemnice dotyczące natury świadomości i inteligencji. Myślące maszyny: czego neuronauka i sztuczna inteligencja mogą nas nauczyć o maszynach myślących o świadomości: co neuronauka i sztuczna Inteligencja może nas nauczyć o świadomości Czy budowanie sztucznie inteligentnych maszyn i oprogramowania uczy nas o funkcjonowaniu świadomości i naturze samego ludzkiego umysłu? .

W niedalekiej przyszłości lekarze mogą być w stanie wyciągnąć wnioski z tych eksperymentów, odwrócić je i zastosować optogenetykę u rzeczywistych pacjentów, aby wpłynąć na aktywność neurologiczną przyczyniającą się do depresji. Optogenetyka pozwala lekarzom nie tylko badać mózg, ale także zmieniać go z większą precyzją, niż wcześniej było to możliwe.

Budowanie Kapeluszy Zdrowia

Niestety, prawdopodobnie nie można nieinwazyjnie stosować optogenetyki u ludzi. Czaszka jest po prostu zbyt gruba, dlatego konieczne jest przepuszczenie przez nią kabli światłowodowych. Jest to poważna operacja i wiąże się z nią ryzyko, wykraczające poza to, co zwykle wiąże się z rozpoczęciem leczenia psychiatrycznego.

Jednak omawiane terapie mogą potencjalnie być znacznie bardziej skuteczne i mieć mniej skutków ubocznych, więc prawdopodobnie będzie to opłacalne dla wielu pacjentów. Przeprowadzono już badania nad wykorzystaniem elektrycznych rozruszników mózgu w leczeniu ciężkiej depresji, a wyniki są bardzo obiecujące. Przyszłe terapie oparte na optogenetyce będą prawdopodobnie mniej inwazyjne i bardziej skuteczne: gdy mózg zostanie uzbrojony w odpowiednio ułożone kable światłowodowe, być może włożone przez nos, aby uniknąć złamania czaszki, resztę sprzętu można przechowywać na zewnątrz, aby ułatwić dostęp. Sam implant (kable światłowodowe i diody laserowe) potrzebowałby tylko zasilania i sygnału sterującego, co mogłoby pewnego dnia zostać dostarczone bezprzewodowo.

Resztę sprzętu (komputer, akumulator itp.) Można potencjalnie nosić na zewnątrz, co pozwoli lekarzowi pacjenta przeprogramować go w razie potrzeby, bez konieczności dodatkowej operacji.

Oprócz korygowania chorób psychicznych, optogenetyka zapewnia również znacznie bardziej biokompatybilny i mniej inwazyjny sposób bezpośredniego stymulowania komórek nerwowych w mózgu i ciele niż konwencjonalne elektrody wszczepione, co znacznie przyczyniłoby się do stworzenia implantów poprawiających wydajność w stylu transhumanistycznym. and Body - Przyszłość wszczepionych komputerów podłączających się do mózgu i ciała - Przyszłość wszczepionych komputerów Przy obecnym trendzie technicznych innowacji i postępu, teraz jest dobry czas na odkrywanie najnowocześniejszych technologii komputerowo-ludzkich. bardziej praktyczny.

Dla jasności wszystko jest jeszcze daleko: optogenetyka jest obecnie szeroko stosowanym narzędziem badawczym (omówiliśmy eksperymenty z użyciem jej, zanim eksperyment z pamięcią światła wpłynie na mózg myszy jak na neurony MIB Eksperyment z pamięcią światła wpłynie na mózg myszy jak Mural Neuralyzer Pamiętasz, kiedy Will Smith i Tommy Lee Jones użyli neuralyzera do wymazania ludzkich wspomnień? Cóż, badacze z UC Davis z powodzeniem „wymazali określone wspomnienia” u myszy za pomocą światła.) Jednak jego rola jako terapii klinicznej minęła co najmniej dekadę lub dwie i może zostać zastąpiona przez inne techniki, które mogą zapewnić podobne wyniki mniej inwazyjnie.

Perspektywa jest jednak ekscytująca, a niektóre aplikacje mogą pojawić się wcześniej. Na przykład można zastosować optogenetykę do budowy lepszych implantów ślimakowych z dużo większą precyzją.

Czy to nie jest naprawdę przerażające?

Niektórzy z was, którzy to czytacie, już zaciągają ciasno czapki z cienkiej folii wokół uszu, i to całkiem uczciwe: ten rodzaj dostępu do mózgu jest niespotykany, poza pewną marką histerycznej science fiction. Potencjalne nadużycia warto przynajmniej omówić.

Jeśli potrafisz sprawować wystarczającą kontrolę nad mózgiem, aby naprawić depresję, schizofrenię i zaburzenia osobowości, możesz być w stanie wywierać wystarczającą kontrolę, aby przeprogramować czyjąś orientację seksualną - lub lobotomizować hałaśliwe dzieci i więźniów. Ryzyko, że rodzice spróbują zastosować taką technologię, aby wymusić na swoich dzieciach zmiany tożsamości, rodzi zupełnie nowe obawy etyczne, z którymi medycyna będzie musiała sobie poradzić po raz pierwszy.

Poza tym, z prostej perspektywy bezpieczeństwa komputerowego, wiele nowoczesnych urządzeń medycznych po prostu nie jest wystarczająco bezpiecznych i może zostać zhakowanych, w niektórych przypadkach bezprzewodowo. Tego rodzaju kompromis jest wystarczająco przerażający w przypadku rozrusznika serca, ale staje się naprawdę przerażający, gdy weźmie się pod uwagę perspektywę, że osoba atakująca może (potencjalnie) małpować w twojej głowie bez pozwolenia.

Naukowcy pracujący nad tymi terapiami nie są nieświadomi tych problemów. Karl Deisseroth, w tym samym cytowanym wyżej wywiadzie, podniósł ten sam punkt:

“Specyfika optogenetyki rodzi pytanie o to, jak dokładnie można dostroić mózg, aby naprawdę stworzyć osobę o różnych potrzebach, pragnieniach, priorytetach, uczuciach […] jest też niepokojący aspekt, który rodzi pytania o wolną wolę.”

Mimo to obawy te bledną w porównaniu z ogromną liczbą osób cierpiących okropnie z powodu obecnie nieuleczalnych chorób psychicznych, które może pomóc optogenetyka. Technologia ta jest bardziej przydatna niż niebezpieczna, a ponieważ będzie rozwijana w ciągu kilku następnych dziesięcioleci, może radykalnie zmienić charakter terapii zdrowia psychicznego.

Co myślisz? Przerażające, fajne czy gdzieś pomiędzy? Czy optogenetyka może ci pomóc osobiście? Daj nam znać w komentarzach!

Zdjęcie kredytowe: Neurony Via Shutterstock, “Folią aluminiową,” Russ Walker