Controlarea creierului cu lumină este posibilă prin optogenetică

Oamenii de știință medicală studiază creierul de peste cinci sute de ani - și, după toate acestea, organul enigmatic deține încă multe secrete. În cele din urmă, în ultimii ani, a fost numită o nouă tehnică “optogenetics” este în curs de dezvoltare, ceea ce ar putea ajuta oamenii de știință să dezvăluie secretele creierului (și să îi trateze tulburările) într-un mod cu totul nou.

De ce avem nevoie de optogenetică?

În multe privințe, este uimitor faptul că medicamentele psihiatrice funcționează deloc. Stadiul tehnicii - cea mai bună știință modernă poate face - înseamnă să scufundăm creierul într-o baie chimică și sperăm că acesta face singurul lucru de care suntem interesați. Și ... fel de lucrări! Uneori.

Există medicamente care sunt foarte puternice pentru tratarea depresiei, TOC, tulburare bipolară și a bolii Parkinson. Ele sunt adesea pline de efecte secundare neplacute. Medicamentele care funcționează bine au fost deseori descoperite doar prin încercări și erori. În multe cazuri, oamenii de știință nu au o înțelegere detaliată a modului în care creierul funcționează pentru a obține o funcție normală - sau cum funcționează atunci când funcționează defectuos. Aceste lacune în cunoaștere sunt greu de abordat prin metode tradiționale de a studia creierul și limitează capacitatea de a dezvolta terapii eficiente.

Ceea ce psihiatrii și neurologii ar dori într-adevăr este accesul total la citire și scriere a creierului: capacitatea de a ajunge în interiorul cuiva și de a excita sau suprima grupurile arbitrare de neuroni, cu o rezoluție a neuronilor unici, permițându-ne să izolam populațiile care sunt disfuncționale și corecte comportament în timp real. Din nefericire, crăparea capului cuiva deschis și rularea firelor la fiecare neuron este impracticabilă.

Promisiunea optogeneticii este că poate lăsa doctorii să obțină ceva apropiat de acest tip de acces.

Cum oamenii de știință folosesc lumină pentru a controla creierul

Iată cum funcționează: în primul rând, cercetătorii injectează subiectul cu un virus modificat genetic, conceput pentru a infecta țesutul cerebral. Sute de miliarde de exemplare ale virusului inundă creierul, injectând încărcăturile lor în celulele nervoase în timp ce le întâlnesc.

Acești virusi nu sunt dăunători: în loc să furnizeze o sarcină utilă rău-intenționată, acești virusi au fost proiectați de oameni de știință pentru a furniza o componentă benignă de ADN care codifică proteine ​​de suprafață speciale care răspund la lungimi de undă specifice de lumină. Virușii pur și simplu servesc ca seringi de unică folosință pentru a elibera ADN-ul special celulelor.

Neuronii încorporează acest ADN special și, în cazul în care condițiile sunt corecte, exprimă proteine ​​de suprafață care le provoacă focul când sunt stimulate cu lumină - aceleași tipuri de proteine ​​utilizate de celulele retinei umane pentru a detecta imagini ușoare și de formă. Prin modificarea ADN-ului pentru a fi mai ales atunci când se exprimă, oamenii de știință pot alege ce tipuri de neuroni (există mii de soiuri) să exprime proteina de suprafață și vor răspunde la lumină.

Apoi, controlând cu atenție unde lumina strălucește asupra creierului, locațiile specifice care sunt stimulate sau deprimate pot fi controlate cu precizie sub milimetru, un grad de control care nu a fost posibil anterior. Chiar mai bine, multe zone ale creierului pot fi afectate fără a fi nevoie să se taie fire sau fire prin materie creierului, făcând procedura mult mai sigură decât formele convenționale de stimulare a creierului.

Potrivit lui Ed Boyden, profesor de bioinginerie și neuroștiință la MIT,

Dacă puteți controla celulele din creier, puteți afla ce este puterea lor, ce pot influența - și, de asemenea, dacă puteți controla celulele din creier, puteți repara stările de tip aberant ale creierului și puteți crea noi tipuri de terapie , rescluzând calculele care au apărut într-o tulburare neurologică sau psihiatrică

Puteți urmări o prelegere destul de tehnică (dar extrem de interesantă) cu privire la tehnicile și metodologia de mai jos:

Ce puteți face cu optogenetica?

Imaginați-vă că un cercetător dorește să înțeleagă mai bine modul în care funcționează depresia. Deci, cercetătorul colectează șoareci deprimați (nu întrebați cum cercetătorii creează șoareci deprimați, nu doriți să știți) și începe testarea.

Ei verifică diferite tipuri de neuroni și diferite regiuni ale creierului și văd ce se întâmplă atunci când stimulați sau deprimați aceste zone și acele tipuri de neuroni. Unele grupuri experimentale devin mai fericite - unii devin mai deprimați: cei mai mulți nu au nici unul. Prin restrângerea în jos a populațiilor care sunt legate și a modului în care rezultă rezultatul, cercetătorul construiește încet o hartă profundă și detaliată a creierului: izolarea mașinilor de bucurie.

Acesta este un fel de experiment pe care îl oferă optogenetica și trebuie să ofere oamenilor de știință o înțelegere mai profundă a diferitelor funcții mentale și a modurilor în care acestea pot merge prost.

Deja, optogenetica a dus la unele perspective interesante despre halucinațiile auditive ale schizofreniei. Potrivit dr. Karl Deisseroth de la Universitatea Stanford, acum pare probabil că vocile sunt, de fapt, componente normale ale monologului intern fiind interpretate greșit ca influență externă.

“Poate fi o versiune necorespunzătoare a gândurilor interne. Într-un fel, informația că un gând vine de la sine este pierdută. Este privită ca un lucru străin, o voce vorbind. [...] [Înainte de optogenetică] nu a existat nicio modalitate de a cunoaște acest lucru, deoarece nu exista nici o modalitate de a controla selectiv [celulele] în intervalul de timp corespunzător.”

Aceste fel de intuiții sunt importante din punct de vedere științific și ar putea duce la mai multe medicamente și terapii, precum și să răspundă misterelor antice despre natura conștiinței și a inteligenței. Gândirea mașinilor: Ce neștiință și inteligența artificială ne pot învăța despre conștiință Gândirea mașinilor: Ce neuroștiințe și artificii Inteligența ne poate învăța despre conștiință Putem construi mașini și software inteligent inteligent care ne învață despre funcționarea conștiinței și despre natura minții umane în sine? Citeste mai mult .

În viitorul apropiat, medicii ar putea să ia cunoștințele pe care le primesc din aceste experimente, să le transforme și să utilizeze optogenetica pe pacienții reali pentru a influența activitățile neurologice care contribuie la depresie. Optogenetica permite medicilor nu doar să studieze creierul, ci și să o modifice cu mult mai mare precizie decât a fost posibil anterior.

Construirea unei pălării sanitare

Din păcate, probabil nu este posibil să se utilizeze optogenetice pe oameni neinvaziv. Craniul este pur și simplu prea gros, deci este necesar să se alimenteze cablurile prin fibră optică. Aceasta este o intervenție chirurgicală majoră și prezintă riscuri asociate cu aceasta, deasupra și dincolo de ceea ce este în mod normal implicat în începerea unui curs de medicație psihiatrică.

Cu toate acestea, terapiile în cauză au potențialul de a fi mult mai eficace și de a avea mai puține efecte secundare, așa că probabil va fi util pentru mulți pacienți. Au fost deja cercetări privind utilizarea stimulatoarelor electrice pentru stimularea creierului, pentru a trata depresia severă, iar rezultatele sunt foarte promițătoare. Terapiile viitoare bazate pe optogenetică vor fi probabil mai puțin invazive și mai eficiente: odată ce creierul este echipat cu cabluri optice poziționate corespunzător, probabil introduse prin nas pentru a evita încălcarea craniului, restul hardware-ului poate fi stocat în exterior, acces. Implantul propriu-zis (cablurile cu fibre optice și diodele laser) ar avea nevoie doar de putere și de un semnal de control, lucruri care ar putea fi furnizate într-o zi fără fir.

Restul componentelor hardware (calculatorul, bateria și așa mai departe) ar putea fi purtate extern, permițând medicului pacientului să o reprogrameze după cum este necesar, fără a necesita intervenții chirurgicale suplimentare.

Dincolo de corectarea bolilor psihice, optogenetica oferă de asemenea o modalitate mult mai biocompatibilă și mai puțin invazivă de a stimula direct celulele nervoase din creier și din corp decât electrozi implantați convențional, ceea ce ar merge mult spre realizarea implanturilor care îmbunătățesc performanța în stil transumanist Plugging Your Brain si corpul - Viitorul calculatoarelor implantate Conectarea la creierul si corpul tau - Viitorul calculatoarelor implantate Avand tendinta actuala de inovatie tehnica si avansare, acum este un moment bun pentru a explora stadiul actual al tehnologiei informatice-umane. Citește mai practic.

Pentru a fi clar, acest lucru este încă un drum lung: optogenetics este un instrument de cercetare utilizat pe scară largă chiar acum (am acoperit experimente folosind-l înainte de experimentul de memorie de lumină afectează mouse-ul Brains ca un MIB Neuralyzer Light Experiment de memorie afectează creierul mouse- MIB Neuralyzer Amintiți-vă când Will Smith și Tommy Lee Jones au folosit neuraliserul pentru a șterge amintirile oamenilor? Ei bine, cercetătorii UC Davis au reușit să "șterse amintirile specifice" în șoareci folosind lumina. Cu toate acestea, rolul său de terapie clinică este cel puțin un deceniu sau două, și poate fi înlocuit de alte tehnici care pot oferi rezultate similare mai puțin invazive.

Cu toate acestea, perspectiva este incitantă și unele aplicații pot veni mai devreme. De exemplu, este posibil să se utilizeze optogenetice pentru a construi implanturi cohleare mai bune cu o precizie mult mai mare.

Nu este chiar așa de înspăimântător?

Unii dintre voi care citesc acest lucru vă desenează deja pălăria de tip tinfoil în jurul urechilor, și asta este în întregime corect: acest tip de acces la creier este fără precedent, în afara unei anumite mărci de știință fictivă isterică. Potențialul de abuz este cel puțin demn de discutat.

Dacă puteți exercita un control suficient asupra creierului pentru a remedia depresia, schizofrenia și tulburările de personalitate, puteți de asemenea să exersați suficient control pentru a reprograma orientarea sexuală a cuiva sau pentru a lobotomiza copiii și prizonierii. Riscurile părinților care încearcă să utilizeze o astfel de tehnologie pentru a forța schimbările de identitate asupra copiilor lor sunt cele care deschid noi preocupări etice pe care le va trata medicina pentru prima oară.

Dincolo de aceasta, dintr-o perspectivă simplă de securitate a calculatorului, multe dispozitive medicale moderne nu sunt suficient de sigure și pot fi hackate, în unele cazuri fără fir. Acest tip de compromis este destul de înspăimântător cu un stimulator cardiac, dar devine foarte înspăimântător atunci când luați în considerare posibilitatea ca un atacator să poată (potențial) maimuță în jurul tău în cap fără permisiune.

Oamenii de stiinta care lucreaza la aceste terapii nu sunt constienti de aceste probleme. Karl Deisseroth, în același interviu citat mai sus, a adus același punct:

“Specificitatea optogeneticii ridică problema cât de precis ar putea să se schimbe un creier pentru a crea într-adevăr un individ cu nevoi, dorințe, priorități, sentimente diferite [...] există și un aspect deranjant, care ridică întrebări de liberă voință.”

Cu toate acestea, aceste preocupări sunt palide în comparație cu numărul enorm de persoane care suferă oribil din bolile psihiatrice netratabile în prezent, încât optogenetica are potențialul de a ajuta. Această tehnologie este mai utilă decât este periculoasă și, așa cum se dezvoltă în următoarele decenii, poate schimba radical natura terapiei de sănătate mintală.

Tu ce crezi? Scary, cool sau undeva între ele? Oare optogenetica are potențialul de a vă ajuta personal? Spuneți-ne în comentariile!

Image Credit: Neuronii prin Shutterstock, “Folie de aluminiu,” de Russ Walker

Explorați mai multe despre: Tehnologia Bionic, Geeky Science.