Nobelova nagrada za odkritje, ki je spremenilo raziskovanje možganov: nevrone lahko prižgejo s svetlobo
Kaj se zgodi, če lahko znanstvenik izbere določeno skupino živčnih celic v možganih in jih s svetlobnim impulzom dobesedno vključi ali izključi? Prav tehnologija, ki je omogočila takšne poskuse in korenito spremenila sodobno nevroznanost, je letos prinesla Nobelovo nagrado za fiziologijo ali medicino. Prejeli so jo Karl Deisseroth, Peter Hegemann in Georg Nagel za odkritja svetlobno krmiljenih ionskih kanalov in razvoj optogenetike.
Z njo lahko raziskovalci z izjemno časovno in celično natančnostjo ugotavljajo, kateri možganski krogi sodelujejo pri spominu, strahu, gibanju, spanju, motivaciji in drugih procesih. Presenetljivo pa je, da se je zgodba enega najpomembnejših orodij sodobnega raziskovanja možganov začela pri drobni zeleni algi.
Nobelov zbor pri Karolinskem inštitutu je danes v Stockholmu sporočil, da si bodo nagrado razdelili Karl Deisseroth z ameriške univerze Stanford, Peter Hegemann z berlinske Humboldtove univerze in Georg Nagel z Univerze v Würzburgu. Njihova odkritja so postavila temelje optogenetike, metode, ki združuje genetiko in svetlobo ter raziskovalcem omogoča nadzor nad natančno določenimi celicami. Tehnologija je v dobrih dveh desetletjih postala eno ključnih orodij nevroznanosti in znanstvenikom omogočila nekaj, o čemer so pred tem lahko predvsem sanjali: ne samo opazovati, kateri deli možganov so aktivni, ampak določene živčne celice namensko vključiti ali izključiti ter nato opazovati, kaj se zgodi.
Vse se je začelo z algo, ki plava proti svetlobi
Zgodba se ni začela v laboratoriju za raziskovanje človeških možganov, temveč pri enocelični zeleni algi Chlamydomonas reinhardtii. Hegemann in Nagel sta v začetku tega stoletja raziskovala, kako se ta mikroskopski organizem odziva na svetlobo. Pri tem sta odkrila oziroma opisala izjemno pomemben svetlobno občutljiv protein – kanalrodopsin oziroma channelrhodopsin. Ko nanj posije svetloba določene valovne dolžine, se kanal v celični membrani odpre in skozi njega stečejo električno nabiti delci oziroma ioni.
To se morda sliši kot zelo ozko področje biologije, toda posledice so bile ogromne. Živčne celice namreč komunicirajo prav z električnimi signali, ki so povezani s pretokom ionov skozi njihove membrane. Znanstvenikom se je zato porodilo vprašanje: kaj če bi gen za svetlobno občutljiv protein prenesli v nevron? Bi lahko potem živčno celico upravljali s svetlobo? Prav ta preskok je odprl vrata optogenetiki.
Deisseroth je iz proteina naredil stikalo za možganske celice
Karl Deisseroth in njegovi sodelavci so nato pokazali, da je mogoče gen za kanalrodopsin vnesti v nevrone in njihove električne signale nadzorovati s svetlobo. Poenostavljeno povedano: izbrane živčne celice je mogoče narediti občutljive na svetlobo, nato pa jih z zelo kratkimi svetlobnimi impulzi aktivirati. Z razvojem različnih svetlobno občutljivih proteinov je postalo mogoče določene celice tudi zavirati.
Prav tu se pokaže prava moč metode. Človeški oziroma živalski možgani niso sestavljeni iz enega tipa živčnih celic, temveč iz ogromnega števila različnih nevronov, povezanih v izjemno zapletena omrežja. Klasične metode so znanstvenikom omogočale spremljanje aktivnosti posameznih območij, veliko težje pa je bilo dokazati, ali določena skupina nevronov nekaj dejansko povzroča. Optogenetika je to spremenila. Če raziskovalec aktivira samo izbrane nevrone in se nato spremeni vedenje živali, lahko precej natančneje ugotavlja vzročno povezavo med možganskim vezjem in vedenjem.
Od spomina in strahu do spanja, odvisnosti in gibanja
V letih po prvih prebojih se je optogenetika razširila po laboratorijih po svetu. Z njo raziskovalci preučujejo možganska vezja, povezana z gibanjem, spominom, učenjem, strahom, spanjem, motivacijo, nagrajevanjem in odvisnostjo. Prav sposobnost zelo natančnega časovnega nadzora je izjemno pomembna, saj lahko raziskovalci celice vključijo ali izključijo v trenutku, ko žival opravlja določeno nalogo oziroma doživlja določen dražljaj.
To je pomembno tudi za raziskovanje bolezni. Znanstveniki z optogenetiko preučujejo nevronske mreže, ki so pomembne pri epilepsiji, demenci, odvisnostih ter številnih drugih nevroloških in psihiatričnih motnjah. Nobelov odbor je pomen metode povzel z ugotovitvijo, da je omogočila prikaz, kako živčne celice v živih možganih oblikujejo spomine, občutke in vedenje.
Toda človeka ne moremo preprosto priključiti na svetilko
Pri revolucionarnih medicinskih odkritjih hitro nastane vtis, da je nova terapija tik pred vrati. Pri optogenetiki je potrebna precejšnja previdnost. Da bi živčno celico upravljali s svetlobo, jo je treba najprej gensko spremeniti tako, da začne izdelovati svetlobno občutljive proteine, svetlobo pa je treba nato pripeljati do teh celic. Pri laboratorijskih živalih raziskovalci za to lahko uporabljajo zelo tanke optične vodnike in druge metode, pri človeških možganih pa so varnostne, tehnične in etične ovire bistveno večje.
Zato optogenetika danes še ni rutinsko zdravljenje Parkinsonove bolezni, depresije, epilepsije ali demence. Je pa omogočila bistveno boljše raziskovanje možganskih vezij, povezanih s temi boleznimi, kar lahko posredno vodi do novih terapij. Raziskovalci preučujejo tudi možnosti neposrednejše uporabe pri ljudeh, pri čemer je eno najbolj zanimivih področij povrnitev dela vida ljudem z nekaterimi oblikami slepote, saj je oko zaradi svoje dostopnosti za svetlobo za tak pristop precej primernejše od globokih predelov možganov.
Zakaj je bilo odkritje tako veliko?
Pred optogenetiko so znanstveniki možgane med drugim raziskovali z električno stimulacijo, snemanjem električne aktivnosti in pozneje s slikovnimi metodami. Vsaka od teh metod je izjemno pomembna, vendar ima svoje omejitve. Električni impulz lahko denimo aktivira različne celice na območju, kjer ga uporabimo. Optogenetika pa omogoča, da raziskovalec s pomočjo genetike določi točno določeno vrsto celic, ki se bo odzvala na svetlobo, nato pa jo nadzoruje v zelo kratkih časovnih intervalih.
Razlika je podobna prehodu od opazovanja, katere luči v ogromnem mestu gorijo, do možnosti, da izbereš določeno hišo, v njej določeno sobo in pritisneš njeno stikalo. Prav zato je optogenetika znanstvenikom omogočila preizkušanje vzročnih povezav, ki jih je bilo prej izredno težko dokazati. Odkritje iz biologije preproste alge je tako postalo tehnologija, brez katere si je velik del današnje eksperimentalne nevroznanosti težko predstavljati.
Trije znanstveniki, ena nagrada
Nobelova nagrada letos lepo kaže tudi, kako velika znanstvena odkritja pogosto nastanejo iz dela ljudi z različnih področij. Peter Hegemann in Georg Nagel sta postavila molekularne temelje z raziskovanjem svetlobno občutljivih proteinov, Karl Deisseroth pa je te ugotovitve pomagal pretvoriti v metodo za nadzor živčnih celic. Rezultat je povezava mikrobiologije, biofizike, genetike, nevroznanosti in optike, ki je ustvarila povsem novo raziskovalno orodje.
Deisseroth je danes profesor bioinženirstva, psihiatrije in vedenjskih znanosti na Stanfordu, Hegemann je profesor eksperimentalne biofizike na Humboldtovi univerzi v Berlinu, Nagel pa deluje na Univerzi v Würzburgu. Vsi trije so bili zaradi svojega dela že dolgo med pogosto omenjanimi kandidati za Nobelovo priznanje, Nature pa ob današnji razglasitvi ugotavlja, da je bila optogenetika na seznamih možnih Nobelovih odkritij že vrsto let.
Nobel za metodo, ki je možganom prižgala luč
Najlepši paradoks letošnje Nobelove nagrade je morda prav njen začetek. Znanstveniki, ki so želeli razumeti, kako preprosta alga zazna svetlobo, so pomagali ustvariti metodo, s katero danes raziskujemo enega najbolj zapletenih sistemov, kar jih poznamo – možgane. Kanalrodopsin, ki mikroorganizmu pomaga reagirati na svetlobo, je postal stikalo, s katerim lahko raziskovalci nadzorujejo aktivnost izbranih nevronov.
Optogenetika še ni čudežno zdravljenje možganskih bolezni in letošnja Nobelova nagrada tega tudi ne pomeni. Pomeni pa priznanje tehnologiji, ki je spremenila način, kako znanost postavlja vprašanja o možganih. Namesto da bi raziskovalci samo opazovali, kaj se v možganih pri določenem vedenju prižge, lahko zdaj izbrano vezje prižgejo sami in preverijo, kaj se bo zgodilo. Prav ta preskok od opazovanja k neposrednemu preizkušanju je razlog, da so Deisseroth, Hegemann in Nagel danes dobili eno najprestižnejših znanstvenih priznanj na svetu.
