Pranešimas spaudai

Kas bendro tarp vienaląsčių dumblių ir žmogaus smegenų? Pasirodo, kur kas daugiau, nei galėtume pagalvoti. Būtent šių paprastų organizmų tyrimai prisidėjo prie vieno reikšmingiausių pastarųjų dešimtmečių neuromokslų proveržių, už kurį šiemet skirta Nobelio fiziologijos arba medicinos premija.

Optogenetika vadinamas metodas pakeitė mokslininkų galimybes tyrinėti smegenis ir padėjo priartėti prie atsakymų į klausimus, kaip atsiranda mūsų prisiminimai, emocijos ar tam tikros elgesio reakcijos. Tačiau ar šis atradimas ateityje galėtų pakeisti ir neurologinių bei psichikos sutrikimų gydymą?

Smegenų tyrimų ribas peržengęs atradimas

Kauno technologijos universiteto Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (KTU MGMF) neuromokslininkės Karolinos Armonaitės teigimu, nors šiandien turime daug būdų smegenų veiklai stebėti, pavyzdžiui, magnetinio rezonanso tomografiją, elektroencefalografiją, magnetoencefalografiją ar pozitronų emisijos tomografiją, šiais metodais dažniausiai registruojamas didelių smegenų ląstelių (neuronų) grupių aktyvumas. Jis stebimas tiek ramybės būsenoje, tiek atliekant tam tikras užduotis.

„Žmogaus smegenyse atskirų neuronų ar nedidelių jų grupių aktyvumą galime registruoti tik išskirtiniais klinikiniais atvejais, pavyzdžiui, gydant epilepsiją. Todėl, norint išsamiau suprasti, kaip sudaryti neuronų tinklai ir kaip konkrečios jų dalys reaguoja į įvairius dirgiklius, dažnai naudojami gyvūnų modeliai“, – aiškina ji.

Vis dėlto gyvūnas negali išsamiai papasakoti, ką jaučia, patiria ar prisimena, todėl vien pasyviai stebint jo smegenų aktyvumą sunku nustatyti priežastinius ryšius. Būtent čia optogenetika tapo esminiu proveržiu. Ji leidžia šviesa labai tiksliai aktyvinti arba slopinti pasirinktas neuronų grupes ir stebėti, kaip dėl to keičiasi kitų smegenų sričių veikla, neuronų tinklų dinamika bei gyvūno elgesys.

Neuronus įjungti ir išjungti leidžianti šviesa

Optogenetikos metodas sujungia dvi technologijas: genetika naudojama tam, kad tik pasirinktos nervinės ląstelės taptų jautrios šviesai, o optika – kad jų aktyvumas būtų valdomas šviesos impulsais.

Mokslininkai pastebėjo, kad vienaląsčių dumblių ląstelėse yra šviesai jautrių baltymų. Sugėręs tam tikro bangos ilgio šviesą, toks baltymas pakeičia savo struktūrą ir atveria ląstelės membranoje esantį jonų kanalą. Tuomet per membraną pradeda judėti jonai ir pakinta ląstelės elektrinis aktyvumas.

Šių metų Nobelio premijos laureatai Peteris Hegemannas ir Georgas Nagelis atrado bei ištyrė šių baltymų savybes, o Karlas Deisserothas pritaikė juos nervinių ląstelių aktyvumui valdyti.

„Pasitelkiant genetinius metodus, šviesai jautrų baltymą koduojantis genas įterpiamas į pasirinktas gyvos pelės nervines ląsteles. Tuomet, nukreipus tam tikro bangos ilgio šviesą į atitinkamą gyvūno smegenų sritį, šias ląsteles galima labai greitai aktyvinti arba slopinti, vaizdžiai tariant, įjungti arba išjungti“, – pasakoja KTU neuromokslininkė.

Smegenų veiklą galima valdyti milisekundžių tikslumu

Pasak K. Armonaitės, vien stebint smegenų aktyvumą dažniausiai galima nustatyti tik sąsajas – tai, kad tam tikri neuronai suaktyvėja atliekant konkretų veiksmą, dar nereiškia, jog būtent jie tą veiksmą sukelia.

„Optogenetika suteikė galimybę pereiti nuo stebėjimo prie kontroliuojamo eksperimento. Mokslininkai gali tiksliai aktyvinti arba slopinti pasirinktą neuronų grupę ir stebėti, ar dėl to pasikeičia gyvūno elgesys, atmintis, emocinė reakcija arba kitų smegenų sričių aktyvumas. Taip galima nustatyti ne tik koreliacinius, bet ir priežastinius ryšius, pavyzdžiui, patikrinti, kurie neuronai yra būtini arba kurių pakanka konkrečiai funkcijai sukelti“, – sako ji.

Be to, optogenetika leidžia neuronus valdyti milisekundžių tikslumu, artimu natūralių nervinių impulsų trukmei. Todėl galima tirti ne tik tai, kurie neuronai dalyvauja procese, bet ir kada, kokia seka bei kokiu ritmu jie turi suaktyvėti.

Baimė, atmintis ir ligos – neuronų grandinėse

Optogenetika leido mokslininkams daug tiksliau atsakyti į klausimą, kurios neuronų grandinės formuoja prisiminimus, inicijuoja judesius, reguliuoja miegą, alkį, motyvaciją ar baimės reakcijas.

„Vienas tokių pavyzdžių – baimės prisiminimų tyrimai su pelėmis. Pelė buvo perkelta į tam tikrą aplinką, kurioje patyrė silpną elektros impulsą. Tuo metu mokslininkai pažymėjo hipokampo neuronus, kurie buvo aktyvūs formuojantis šiam nemaloniam prisiminimui. Vėliau pelė buvo perkelta į visiškai saugią aplinką, o tie patys neuronai aktyvinti taikant optogenetiką“, – pasakoja KTU neuromokslininkė.

Nors elektros impulso nebebuvo, pelė vis tiek sustingo – pasireiškė būdinga baimės reakcija. Taip buvo įrodyta, kad šių konkrečių neuronų aktyvinimo pakanka baimės prisiminimui sužadinti. Vien stebint smegenų aktyvumą, be optogenetikos, būtų galima pasakyti tik tiek, kad šie neuronai suaktyvėja esant pavojui.

Tokie eksperimentai padeda ne tik geriau suprasti smegenų veiklą, bet ir atskleisti neurologinių bei psichikos sutrikimų mechanizmus.

„Optogenetika leidžia nustatyti, kurios konkrečios neuronų grandinės prisideda prie ligos simptomų. Pavyzdžiui, gyvūnų modeliuose, t. y. eksperimentuose su pelėmis, kurioms dirbtinai sukeliami tam tikrų ligų simptomai, aktyvinant arba slopinant tam tikrus neuronus pavyko sumažinti Parkinsono ligai būdingus judėjimo sutrikimus, epilepsijos priepuolius ar su depresija susijusį elgesį. Šie tyrimai parodė, kad minėti sutrikimai susiję ne tik su atskirų smegenų sričių pažeidimais, bet ir su pakitusia konkrečių neuronų tinklų veikla“, – aiškina K. Armonaitė.

Ar ateityje smegenų ligas gydysime šviesa?

KTU mokslininkė pabrėžia, kad optogenetika kol kas daugiausia naudojama kaip tyrimų priemonė laboratorijose su gyvūnų modeliais. Žmonių smegenų ligoms gydyti ji dar netaikoma, nes šį metodą sudėtinga ir rizikinga pritaikyti žmogaus smegenyse.

„Pirmiausia reikėtų saugiai ir tiksliai įterpti šviesai jautrius baltymus koduojančius genus tik į pasirinktus neuronus. Be to, šviesa sunkiai prasiskverbia per smegenų audinį, todėl giliosioms struktūroms pasiekti tektų chirurginiu būdu implantuoti optines skaidulas“, – aiškina ji.

Žmogaus smegenys taip pat yra daug didesnės ir sudėtingesnės nei laboratorinių gyvūnų, todėl būtina užtikrinti, kad paveikus vieną neuronų grandinę nebūtų netikėtai sutrikdytos kitos funkcijos. Kol nėra užtikrinta, kad ilgainiui tokie pakeitimai nepakenks žmogaus sveikatai, šio metodo taikymas klinikinėje praktikoje išlieka ribotas.

Vis dėlto šiuo metu pažangiausi klinikiniai tyrimai vykdomi gydant tinklainės ligas, nes akies nervines ląsteles šviesa pasiekia lengviau.

„Optogenetikos tyrimuose sukauptos žinios gali būti panaudotos kuriant tikslesnius vaistus, tobulinant giliosios smegenų stimuliacijos ir kitus neuromoduliacijos metodus. Regėjimo atkūrimo tyrimai rodo, kad klinikinis optogenetikos taikymas jau pradeda tapti realybe“, – teigia K. Armonaitė.