Οπτογενετική: Η τεχνική που επιτρέπει τον έλεγχο των νευρώνων με το φως

Η δυνατότητα να ενεργοποιούνται ή να απενεργοποιούνται συγκεκριμένα νευρικά κύτταρα με τη χρήση φωτός βρίσκεται πίσω από το φετινό Νόμπελ Ιατρικής και Φυσιολογίας.

Ο Καρλ Ντάισεροθ, ο Πέτερ Χέγκεμαν και ο Γκέοργκ Νάγκελ τιμήθηκαν για την έρευνά τους που οδήγησε στην ανάπτυξη της οπτογενετικής, μιας τεχνικής που άλλαξε τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες μελετούν τον εγκέφαλο.

Η μέθοδος συνδυάζει τη γενετική τροποποίηση κυττάρων με τη χρήση φωτός. Οι ερευνητές εισάγουν στα κύτταρα γονίδια που τους επιτρέπουν να παράγουν ειδικές φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες.

Όταν αυτές ενεργοποιούνται από φως συγκεκριμένου μήκους κύματος, μπορούν να μεταβάλλουν την ηλεκτρική δραστηριότητα του κυττάρου.

Με αυτόν τον τρόπο, το φως λειτουργεί ουσιαστικά σαν ένας εξαιρετικά ακριβής διακόπτης. Μπορεί να προκαλέσει την ενεργοποίηση ενός νευρώνα ή, μέσω διαφορετικών πρωτεϊνών, να καταστείλει τη λειτουργία του.

Η ανακάλυψη ξεκίνησε από ένα μικροσκοπικό φύκι

Η ιστορία της οπτογενετικής άρχισε με τη μελέτη ενός μονοκύτταρου πράσινου φυκιού, του Chlamydomonas, το οποίο παρουσιάζει πολύ γρήγορη αντίδραση στο φως.

Ο Πέτερ Χέγκεμαν μελετούσε τον συγκεκριμένο μικροοργανισμό και προσπάθησε να κατανοήσει τον μηχανισμό που του επιτρέπει να αντιλαμβάνεται το φως. Η έρευνα οδήγησε στην ανακάλυψη φωτοευαίσθητων πρωτεϊνών που μπορούν παράλληλα να λειτουργούν ως δίαυλοι για ιόντα.

Στη συνέχεια, ο Γκέοργκ Νάγκελ και οι συνεργάτες του μετέφεραν τα σχετικά γονίδια σε άλλα κύτταρα. Έτσι αναδείχθηκε η σημασία της channelrhodopsin-2, γνωστής ως ChR2.

Το 2003 αποδείχθηκε ότι η πρωτεΐνη μπορούσε να λειτουργήσει και σε κύτταρα θηλαστικών. Δύο χρόνια αργότερα, ο Καρλ Ντάισεροθ έδειξε ότι η ίδια τεχνολογία μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της δραστηριότητας νευρώνων.

Το 2006 επικράτησε ο όρος «οπτογενετική» για τη συγκεκριμένη προσέγγιση.

Από την παρατήρηση στον έλεγχο του εγκεφάλου

Η μεγάλη διαφορά που έφερε η οπτογενετική είναι η ακρίβεια με την οποία μπορούν πλέον να μελετηθούν τα νευρωνικά κυκλώματα.

Αντί οι επιστήμονες να διεγείρουν μια ολόκληρη περιοχή του εγκεφάλου, μπορούν να επιλέξουν συγκεκριμένο τύπο νευρώνων και να ελέγξουν τη δραστηριότητά του σε χρονικό διάστημα ακόμη και χιλιοστών του δευτερολέπτου.

Έτσι μπορούν να εξετάσουν όχι μόνο ποια περιοχή του εγκεφάλου ενεργοποιείται όταν συμβαίνει κάτι, αλλά και αν η ενεργοποίηση συγκεκριμένων κυττάρων προκαλεί μια συγκεκριμένη λειτουργία ή συμπεριφορά.

Ο Ντάισεροθ χρησιμοποίησε την τεχνική, μεταξύ άλλων, για να μελετήσει τον τρόπο με τον οποίο συγκεκριμένοι νευρώνες επηρεάζουν την κίνηση, αλλά και κυκλώματα που συνδέονται με την εγρήγορση και τον ύπνο.

Η μέθοδος έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην έρευνα για τον εγκέφαλο και έχει συμβάλει στη μελέτη πολύπλοκων νευρωνικών κυκλωμάτων που σχετίζονται με τη συμπεριφορά και διάφορες εγκεφαλικές λειτουργίες.

Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και ως θεραπεία;

Παρά τα εντυπωσιακά αποτελέσματα στην έρευνα, η οπτογενετική δεν αποτελεί σήμερα καθιερωμένη θεραπεία για νευρολογικές ή ψυχιατρικές παθήσεις.

Για να εφαρμοστεί στον ανθρώπινο εγκέφαλο πρέπει πρώτα να τροποποιηθούν με ασφάλεια τα κατάλληλα κύτταρα ώστε να αποκτήσουν φωτοευαισθησία, ενώ παράλληλα απαιτείται τρόπος μεταφοράς του φωτός στην ακριβή περιοχή που πρέπει να ελεγχθεί.

Η γενετική παρέμβαση, η περιορισμένη διείσδυση του φωτός μέσα στους ιστούς και η ανάγκη εξαιρετικά ακριβούς στόχευσης αποτελούν σημαντικές προκλήσεις.

Ωστόσο, η τεχνολογία έχει ήδη δοκιμαστεί πειραματικά στον άνθρωπο για την αποκατάσταση της όρασης.

Σε μία από τις πιο γνωστές εφαρμογές, άνδρας με μελαγχρωστική αμφιβληστροειδοπάθεια ανέκτησε μέρος της οπτικής του λειτουργίας μετά από πειραματική γονιδιακή οπτογενετική θεραπεία.

Οι γιατροί χρησιμοποίησαν τροποποιημένο ιό για να μεταφέρουν στα κύτταρα του αμφιβληστροειδούς τις οδηγίες παραγωγής φωτοευαίσθητης πρωτεΐνης, ενώ ειδικά γυαλιά μετέτρεπαν τις εικόνες του περιβάλλοντος σε φωτεινά σήματα που μπορούσαν να αξιοποιήσουν τα τροποποιημένα κύτταρα.

Η οπτογενετική έχει επομένως αλλάξει ένα βασικό δεδομένο στη νευροεπιστήμη: οι ερευνητές δεν περιορίζονται πλέον μόνο στο να παρακολουθούν τι συμβαίνει στον εγκέφαλο.

Μπορούν, με μεγάλη ακρίβεια, να παρέμβουν σε συγκεκριμένα νευρικά κύτταρα και να εξετάσουν τι προκαλεί η ενεργοποίηση ή η απενεργοποίησή τους.