Vedci objavili spôsob, ako pomocou svetla ovládať nervové bunky
Nobelovu cenu za medicínu tento rok získali traja vedci za objavy, ktoré otvorili cestu k ovplyvňovaniu činnosti nervových buniek pomocou svetla. Laureátmi sa stali Karl Deisseroth z USA a Peter Hegemann a Georg Nagel z Nemecka. Ocenenie získali za „objavy týkajúce sa svetlom riadených iónových kanálov a optogenetiky“.
Optogenetika je metóda, ktorá umožňuje pomocou svetla cielene aktivovať alebo utlmiť vybrané nervové bunky a sledovať, ako na tento zásah reagujú. Vedci tak môžu presnejšie skúmať mechanizmy, ktoré sa podieľajú na vzniku spomienok a emócií či na riadení správania. Výskum zároveň prispieva k lepšiemu pochopeniu neurologických a psychiatrických ochorení.
Vedci sa už desaťročia snažia zistiť, ako mozog riadi tieto procesy. V 20. storočí sa im podarilo identifikovať oblasti mozgu spojené s rôznymi telesnými funkciami a prejavmi správania. Dovtedajšie metódy však nedokázali presne určiť, či konkrétny typ nervových buniek daný proces priamo spôsobuje. Optogenetika umožnila tieto súvislosti skúmať oveľa cielenejšie.
Začiatky optogenetiky
Myšlienka ovládať aktivitu jednotlivých nervových buniek pomocou svetla vznikla už pred desaťročiami. Americký vedec Francis Crick, ktorý v roku 1962 získal Nobelovu cenu za objavy týkajúce sa molekulovej štruktúry nukleových kyselín, uvažoval aj o tom, ako cielene ovplyvňovať činnosť nervových buniek v živom mozgu.
V roku 1999 Crick navrhol, že svetlo by mohlo slúžiť na rýchle zapínanie a vypínanie aktivity vybraných typov neurónov. Predpokladal, že ak by vedci dokázali geneticky upraviť bunky tak, aby reagovali na svetlo, mohli by ich činnosť riadiť s vysokou presnosťou.
K uskutočneniu tejto myšlienky prispel výskum tohtoročných laureátov Nobelovej ceny za medicínu. Peter Hegemann z Humboldtovej univerzity v Berlíne a Georg Nagel z Univerzity vo Würzburgu začiatkom 90. rokov skúmali, ako jednobunková zelená riasa Chlamydomonas reinhardtii, známa ako chlamydomonáda, vníma svetlo a orientuje svoj pohyb podľa jeho zdroja. Ich výskum pomohol odhaliť bielkoviny, ktoré riasam umožňujú premieňať svetelný podnet na elektrický signál.
V roku 2002 úspešne opísali jej bielkovinu channelrhodopsín-1 a v roku 2003 charakterizovali channelrhodopsín-2, bielkovinu, ktorá funguje ako iónový kanál priamo aktivovaný svetlom. Tieto bielkoviny sa nachádzajú v bunkovej membráne riasy a podieľajú sa na jej schopnosti reagovať na svetlo. Dôležitú úlohu pri orientácii riasy pritom zohráva aj takzvaný očný bod, špecializovaná štruktúra, ktorá pomáha bunke rozpoznať smer svetelného podnetu.
Oba proteíny sa nachádzajú v bunkovej membráne, ktorá oddeľuje vnútro bunky od okolitého prostredia. Sú na ne naviazané molekuly retinalu, ktoré pohlcuje svetlo. Keď na ňu dopadne svetlo vhodnej vlnovej dĺžky, zmení svoju priestorovú konfiguráciu. Táto zmena následne ovplyvní štruktúru bielkoviny a spôsobí otvorenie iónového kanála.
Cez otvorený iónový kanál potom môžu do bunky prúdiť kladne nabité ióny vrátane sodíka, vodíka a draslíka. Ich pohyb mení elektrické vlastnosti bunkovej membrány a vytvára elektrický signál, ktorý umožňuje riase reagovať na svetlo.
Od pokusov s riasou k ovládaniu nervových buniek
Vedci si postupne uvedomili, že podobný mechanizmus by mohli využiť aj pri skúmaní nervových buniek. Tie medzi sebou komunikujú pomocou elektrických signálov, pri ktorých zohráva dôležitú úlohu pohyb iónov cez bunkovú membránu.
Keď do nervovej bunky začnú prúdiť kladne nabité ióny, mení sa elektrické napätie na jej membráne. Ak zmena dosiahne určitú hranicu, nervová bunka vytvorí elektrický impulz, takzvaný akčný potenciál. Vedci preto začali uvažovať, či by svetlocitlivý iónový kanál z riasy mohli preniesť aj do nervových buniek.
Ak by sa totiž v ich membráne nachádzal tento svetlocitlivý iónový kanál, na aktiváciu buniek by stačilo použiť svetlo. Po jeho dopade by sa kanál otvoril, ióny by začali prechádzať cez membránu a nervová bunka by sa aktivovala.
Aby tento predpoklad overili, pri experimentoch merali elektrické odpovede chlamydomonády po osvetlení. Zistili, že vznikajú už v priebehu stoviek mikrosekúnd. Takáto rýchla reakcia naznačovala, že svetelný podnet musí byť priamo prepojený s mechanizmom, ktorý mení elektrické vlastnosti bunkovej membrány.
Výsledky ukázali, že bielkovina channelrhodopsín dokáže zároveň zachytávať svetlo a umožňovať prechod iónov cez membránu. Aby toto zistenie overili, vložili gény pre tieto bielkoviny z riasy Chlamydomonas do žabích vajíčok. Bunky následne začali bielkoviny vytvárať vo svojej membráne a experimenty potvrdili, že na svetelný podnet dokážu vyvolať elektrickú reakciu.
Ďalším krokom bolo zistiť, či bude rovnaký princíp fungovať aj v nervových bunkách. V roku 2004 začal americký výskumný tím Karla Deisserotha spolupracovať s Hegemannom a Nagelom a získal DNA kódujúcu channelrhodopsín-2 (ChR2). Deisseroth spolu so svojím tímom na Stanfordovej univerzite následne vložil gén pre túto bielkovinu do kultivovaných nervových buniek potkanov.
Výsledky publikované v roku 2005 ukázali, že nervové bunky možno aktivovať krátkymi zábleskami modrého svetla. Vedci tak získali spôsob, ako cielene ovplyvňovať aktivitu konkrétnych neurónov.
O dva roky neskôr si Karl Deisseroth so svojím tímom overili, či bude tento princíp fungovať aj v živom mozgu myší. Pomocou vírusového vektora zaviedli gén pre channelrhodopsín-2 do vybranej skupiny neurónov. Do mozgu následne zaviedli cez drobný otvor v lebke optické vlákno, ktorým mohli bunky osvetľovať.
Zistili, že keď vyslali modré svetlo, aktivovali neuróny s channelrhodopsínom a ovplyvnili pohyb myší. Experiment tak ukázal, že optogenetiku možno použiť na cielené ovplyvňovanie vybraných skupín nervových buniek priamo v živom mozgu.
V tom istom roku Karl Deisseroth s ďalšími vedcami využil metódu aj na skúmanie mechanizmov bdenia. Pomocou svetla aktivovali konkrétnu skupinu neurónov a zvýšili pravdepodobnosť prebudenia spiacich myší. Ukázali tak, že aktivita týchto neurónov má priamu príčinnú úlohu pri prechode zo spánku do bdelosti.
Význam objavov pre výskum mozgu
Optogenetika priniesla neurovede možnosť presne zasiahnuť konkrétne nervové bunky a následne sledovať dôsledky ich aktivácie alebo utlmenia. Zároveň vedcom umožňuje presnejšie skúmať, ako jednotlivé neuróny a mozgové okruhy súvisia so správaním, pamäťou, emóciami či spánkom.
Pomocou svetelných impulzov môžu cielene aktivovať alebo utlmiť vybrané nervové bunky a následne sledovať, ako ich činnosť ovplyvňuje konkrétne funkcie alebo správanie.
Metóda sa využíva najmä v laboratórnom výskume. Pomáha lepšie porozumieť mechanizmom neurologických a psychiatrických ochorení, pri ktorých zohráva úlohu narušená činnosť nervových okruhov.
Vedci ju využívajú aj napríklad pri skúmaní depresie, závislostí či demencie a pri objasňovaní ďalších procesov v nervovej sústave.
Ak nechcete, aby vám ušli dôležité správy a analýzy, prihláste sa na náš týždenný newsletter.
