Hersenencontrole met licht: het is mogelijk met optogenetica

Advertentie

Medische wetenschappers bestuderen de hersenen al meer dan vijfhonderd jaar - en na al die tijd heeft het raadselachtige orgaan nog steeds veel geheimen. Ten slotte is er de laatste jaren een nieuwe techniek in opkomst, de zogenaamde "optogenetica", die wetenschappers kan helpen de geheimen van de hersenen te ontrafelen (en de aandoeningen ervan te behandelen) op een geheel nieuwe manier.

Waarom hebben we optogenetica nodig?

In veel opzichten is het verbazingwekkend dat psychiatrische medicatie überhaupt werkt. De state-of-the-art - het allerbeste dat de moderne wetenschap kan doen - komt neer op het onderdompelen van de hersenen in een chemisch bad, en hopen dat het datgene doet waar we in geïnteresseerd zijn. En... het werkt een beetje! Soms.

Er zijn medicijnen die zeer krachtig zijn voor de behandeling van depressie, OCS, bipolaire stoornis en de ziekte van Parkinson. Ze zitten vaak vol met vervelende bijwerkingen. De medicijnen die goed werken, werden vaak ontdekt door niets meer dan vallen en opstaan. In veel gevallen hebben wetenschappers geen gedetailleerd begrip van hoe de hersenen werken om een ​​normale functie te bereiken - of hoe het werkt wanneer het niet goed functioneert. Deze kennislacunes zijn moeilijk aan te pakken via traditionele manieren om de hersenen te bestuderen en beperken het vermogen om effectieve therapieën te ontwikkelen.

Wat psychiaters en neurologen echt zouden willen, is totale lees-schrijftoegang tot de hersenen: het vermogen om in iemands hoofd te reiken en te prikkelen of onderdruk willekeurige groepen neuronen met resolutie van één neuron, waardoor we de disfunctionele populaties kunnen isoleren en hun gedrag kunnen corrigeren in echte tijd. Helaas is het onpraktisch om iemands hoofd open te breken en draden naar elk neuron te leiden.

De belofte van optogenetica is dat artsen hierdoor mogelijk iets bereiken dat in de buurt komt van dat soort toegang.

Hoe wetenschappers licht gebruiken om de hersenen te beheersen

Hier is hoe het werkt: ten eerste injecteren onderzoekers het onderwerp met een genetisch gemanipuleerd virus, ontworpen om hersenweefsel te infecteren. Honderden miljarden kopieën van het virus overspoelen de hersenen en injecteren hun lading in de zenuwcellen die ze tegenkomen.

Deze virussen zijn niet schadelijk: in plaats van een schadelijke, zelfreplicerende lading te leveren, zijn deze virussen ontwikkeld door wetenschappers om een ​​goedaardige DNA-streng af te leveren die codeert voor speciale oppervlakte-eiwitten die reageren op specifieke golflengten van licht. De virussen dienen gewoon als wegwerpspuiten om het speciale DNA aan de cellen af ​​te geven.

De neuronen nemen dit speciale DNA op en brengen, als de omstandigheden goed zijn, oppervlakte-eiwitten tot expressie die ervoor zorgen dat ze vuren wanneer gestimuleerd met licht - dezelfde soorten eiwitten die door menselijke retinale cellen worden gebruikt om licht en vorm te detecteren afbeeldingen. Door het DNA te veranderen om kieskeuriger te zijn wanneer het zichzelf uitdrukt, kunnen wetenschappers kiezen welke soorten neuronen (er zijn duizenden variëteiten) het oppervlakte-eiwit tot expressie brengen en op licht reageren.

Vervolgens, door zorgvuldig te controleren waar licht op de hersenen schijnt, de specifieke locaties die worden gestimuleerd of depressief kan worden gecontroleerd met een precisie tot op de millimeter, een mate van controle die nog nooit eerder is geweest mogelijk. Sterker nog, veel delen van de hersenen kunnen worden aangetast zonder dat er draden in de hersenmassa hoeven te worden gesneden of er doorheen geregen, waardoor de procedure veel veiliger is dan conventionele vormen van hersenstimulatie.

Volgens Ed Boyden, hoogleraar bioengineering en neurowetenschappen aan MIT,

Als je cellen in de hersenen kunt besturen, kun je erachter komen wat hun kracht is, wat ze kunnen beïnvloeden - en ook, als je cellen in de hersenen kunt besturen, kan afwijkende hersentoestanden herstellen en u kunt nieuwe soorten therapie creëren, waarbij u de berekeningen die mis zijn gegaan in een neurologische of psychiatrische wanorde

Je kunt een vrij technische (maar uiterst interessante) lezing over de technieken en methodologie hieronder bekijken:

Wat kunt u doen met optogenetica?

Stel je voor dat een onderzoeker beter wil begrijpen hoe depressie werkt. Dus de onderzoeker verzamelt een paar depressieve muizen (vraag niet hoe onderzoekers depressieve muizen maken, dat wil je niet weten) en begint met testen.

Ze controleren verschillende soorten neuronen en verschillende hersengebieden en zien wat er gebeurt als je die gebieden en dat soort neuronen stimuleert of onderdrukt. Sommige experimentele groepen worden gelukkiger - sommige worden depressiever: de meesten niet. Door te beperken welke populaties verwant zijn en hoe ze de uitkomst beïnvloeden, bouwt de onderzoeker langzaam een ​​diepe, gedetailleerde functionele kaart van de hersenen op: de machines van vreugde isoleren.

Dit is het soort experiment dat optogenetica mogelijk maakt, en het geeft wetenschappers een dieper inzicht in verschillende mentale functies en de manieren waarop ze fout kunnen gaan.

Optogenetica heeft al geleid tot enkele interessante potentiële inzichten in de auditieve hallucinaties van schizofrenie. Volgens Dr. Karl Deisseroth van Stanford University wel lijkt nu waarschijnlijk dat de stemmen in feite normale componenten zijn van de interne monoloog die verkeerd worden geïnterpreteerd als externe invloed.

'Het is misschien een slecht herkende versie van interne gedachten. Op de een of andere manier gaat de informatie dat een gedachte echt van jezelf komt, verloren. Het wordt gezien als iets vreemds, een stem die spreekt. […] [Voorafgaand aan optogenetica] was er geen manier om dit te weten omdat er geen manier was om [de cellen] selectief op de juiste tijdschaal te controleren. ”

Dit soort inzichten zijn wetenschappelijk belangrijk en kunnen leiden tot betere medicijnen en therapieën, maar ook om oude mysteries over de aard van bewustzijn en intelligentie Denkmachines: wat neurowetenschappen en kunstmatige intelligentie ons kunnen leren over bewustzijnKunnen het bouwen van kunstmatig intelligente machines en software ons leren over de werking van bewustzijn en de aard van de menselijke geest zelf? Lees verder .

In de nabije toekomst kunnen artsen de inzichten die ze uit deze experimenten halen, misschien omdraaien, en gebruik optogenetica bij echte patiënten om de neurologische activiteiten die hieraan bijdragen te beïnvloeden depressie. Met optogenetica kunnen artsen niet alleen de hersenen bestuderen, maar ze ook met een veel grotere precisie veranderen dan voorheen mogelijk was.

Een geestelijke hoed bouwen

Helaas is het waarschijnlijk niet mogelijk om optogenetica bij niet-invasieve mensen te gebruiken. De schedel is gewoon te dik, dus het is noodzakelijk om er glasvezelkabels doorheen te leiden. Dit is een grote operatie en brengt risico's met zich mee, naast wat normaal gesproken betrokken is bij het starten van een kuur met psychiatrische medicatie.

De therapieën in kwestie hebben echter het potentieel om veel effectiever te zijn en minder bijwerkingen te hebben, dus het is waarschijnlijk de moeite waard voor veel patiënten. Er is al onderzoek gedaan naar het gebruik van elektrisch hersenpacemakers om ernstige depressie te behandelen, en de resultaten zijn veelbelovend. Toekomstige therapieën op basis van optogenetica zullen waarschijnlijk minder invasief en effectiever zijn: zodra de hersenen zijn opgetuigd met de juiste positie glasvezelkabels, misschien door de neus gestoken om te voorkomen dat de schedel wordt doorbroken, de rest van de hardware kan extern worden opgeborgen, voor eenvoudig toegang. Het implantaat zelf (de glasvezelkabels en laserdiodes) zou alleen stroom en een stuursignaal nodig hebben, dingen die op een dag draadloos zouden kunnen worden geleverd.

De rest van de hardware (de computer, de batterij, enzovoort) kan mogelijk extern worden gedragen, zodat de arts van de patiënt deze indien nodig kan herprogrammeren zonder dat er een extra operatie nodig is.

Naast het corrigeren van psychische aandoeningen, biedt optogenetica ook een veel meer biocompatibele en minder invasieve manier om direct stimuleert zenuwcellen in de hersenen en het lichaam dan conventionele geïmplanteerde elektroden, die een lange weg zouden gaan maken prestatiebevorderende implantaten in transhumanistische stijl Uw hersenen en lichaam aansluiten - de toekomst van geïmplanteerde computersMet de huidige trend van technische innovatie en vooruitgang, is het nu een goed moment om de stand van de techniek op het gebied van computer-menselijke technologieën te verkennen. Lees verder praktischer.

Voor alle duidelijkheid, dit is allemaal nog ver weg: optogenetica is momenteel een veelgebruikt onderzoekstool (we hebben behandelde experimenten die het eerder gebruikten Light Memory Experiment beïnvloedt muizenhersenen als een MIB-neuralyzerWeet je nog wanneer Will Smith en Tommy Lee Jones de neuralyzer gebruikten om de herinneringen van mensen te wissen? Welnu, UC Davis-onderzoekers hebben met succes "specifieke herinneringen" in muizen gewist met behulp van licht. Lees verder ). Zijn rol als klinische therapie is echter minstens een decennium of twee verwijderd en kan mogelijk worden vervangen door andere technieken die vergelijkbare, minder invasieve resultaten kunnen opleveren.

Toch is het vooruitzicht spannend en sommige toepassingen komen mogelijk eerder. Het is bijvoorbeeld mogelijk om optogenetica te gebruiken om betere cochleaire implantaten te bouwen met een veel grotere precisie.

Is dit niet allemaal echt eng?

Sommigen van u die dit lezen, trekken uw aluminiumfoliehoeden al strakker om uw oren, en dat is helemaal eerlijk: dit soort toegang tot de hersenen is ongekend, buiten een bepaald soort hysterische wetenschap fictie. Het potentieel voor misbruik is op zijn minst het bespreken waard.

Als u voldoende controle over de hersenen kunt uitoefenen om depressie en schizofrenie en persoonlijkheidsstoornissen op te lossen, zou u dat kunnen ook voldoende controle kunnen uitoefenen om iemands seksuele geaardheid te herprogrammeren - of gewelddadige kinderen lobotomiseren en gevangenen. Het risico bestaat dat ouders dergelijke technologie proberen te gebruiken om identiteitswijzigingen op te dringen aan hun kinderen een die geheel nieuwe ethische bezwaren oproept waarmee de geneeskunde voor het eerst te maken krijgt ooit.

Daarnaast zijn veel moderne medische apparaten vanuit een eenvoudig computerbeveiligingsperspectief simpelweg niet veilig genoeg en kunnen ze in sommige gevallen draadloos worden gehackt. Dat soort compromissen is eng genoeg met een pacemaker, maar het wordt echt gruwelijk als je bedenkt dat een aanvaller zonder toestemming (mogelijk) in je hoofd kan rondrennen.

De wetenschappers die aan deze therapieën werken, zijn zich niet bewust van deze problemen. Karl Deisseroth bracht in hetzelfde hierboven geciteerde interview hetzelfde punt naar voren:

“De specificiteit van optogenetica roept de vraag op hoe precies een brein kan worden aangepast om echt een individu te creëren met verschillende behoeften, verlangens, prioriteiten, gevoelens […] is er ook een verontrustend aspect dat vragen oproept zullen."

Toch zijn deze zorgen verbleken in vergelijking met het enorme aantal mensen dat vreselijk lijdt aan momenteel onbehandelbare psychiatrische ziekten die optogenetica kan helpen. Deze technologie is nuttiger dan gevaarlijk en kan, aangezien ze de komende decennia wordt ontwikkeld, de aard van de psychiatrische therapie radicaal veranderen.

Wat denk je? Eng, cool of ergens tussenin? Heeft optogenetica het potentieel om u persoonlijk te helpen? Laat het ons weten in de comments!

Afbeelding tegoed: Neuronen Via Shutterstock, "Aluminium folie," door Russ Walker