Neurony to podstawowe komórki układu nerwowego – znane są ze swojej zdolności do przewodzenia impulsów elektrycznych i przekazywania informacji za pomocą neurotransmiterów. Ten model jest podstawą niemal całej współczesnej neurofizjologii. Ale pojawiające się w ostatnich latach dane sugerują, że w mózgu może występować także zupełnie inny, nieznany dotąd kanał komunikacyjny – optyczny.
Czytaj też: Sztuczne neurony uczą się same. Przełomowe badania przybliżają AI do biologicznego mózgu
W niektórych eksperymentach wykryto tzw. ultrasłabe emisje fotonów (biofotony) – pojedyncze cząstki światła generowane przez komórki nerwowe. Ich obecność nie została dotąd wyjaśniona, a naukowcy zaczęli się zastanawiać, czy przypadkiem światło nie odgrywa nieznanej jeszcze roli w neurokomunikacji.
Nowe badania prowadzone przez prof. Pabla Postigo z Institute of Optics na University of Rochester, mają na celu bezpośrednie przetestowanie, czy żywe neurony mogą przewodzić światło przez swoje aksony – długie, cienkie wypustki przypominające strukturalnie światłowody. Wsparcie finansowe w wysokości 1,5 miliona dolarów na trzy lata zapewniła prestiżowa John Templeton Foundation.
Prof. Pablo Postigo mówi:
Istnieją publikacje sugerujące, że przewodzenie światła przez aksony jest możliwe, ale jak dotąd nie mamy jednoznacznych dowodów eksperymentalnych. Wiemy, że w mózgu zachodzi emisja pojedynczych fotonów, ale nikt nie rozumie, dlaczego i po co one tam są.
Czy neurony mogą przesyłać informacje światłem?
Istnieją hipotezy, że biofotony mogą pełnić rolę regulacyjną lub sygnałową, niekoniecznie w zakresie transmisji informacji w stylu binarnym, ale np. jako sygnały modulujące, kontrolujące aktywność komórek lub synchronizujące rytmy w mózgu. Zgodnie z niektórymi koncepcjami, światło mogłoby też odgrywać rolę w procesach takich jak świadomość czy plastyczność mózgu, choć teza ta pozostaje kontrowersyjna. Ale jak to sprawdzić?
Czytaj też: Neurony nie są rozmieszczone w mózgu w przypadkowy sposób. Odkryto matematyczny wzór, który za tym stoi
Największym wyzwaniem jest skala. Ludzki akson ma szerokość mniejszą niż 2 mikrometry – jest mniej więcej 50 razy cieńszy niż ludzki włos. Badanie takich struktur wymaga technologii z pogranicza nanotechnologii i fotoniki – nanofotonicznych sond, które są w stanie operować na poziomie pojedynczych fotonów. Zespół zamierza wstrzykiwać światło do wnętrza aksonu i sprawdzać, czy i w jakiej formie wychodzi ono na drugim końcu. Mierzone będą m.in. długości fal oraz intensywność transmitowanego światła.
W badaniach prof. Postigo współpracuje z dr Michelem Teliasem, neurobiologiem i okulistą, który specjalizuje się w badaniu potencjałów czynnościowych neuronów. Telias, związany z Center for Visual Science, będzie odpowiadał za część elektrochemiczną, czyli pomiar klasycznej aktywności elektrycznej neuronów, równolegle z eksperymentami optycznymi. Ten hybrydowy model badawczy ma pozwolić na pełniejsze zrozumienie, czy światło może współistnieć z impulsami elektrycznymi w tym samym systemie nerwowym, a być może nawet z nimi współdziałać.
Potwierdzenie tej hipotezy mogłoby oznaczać jedno z największych przedefiniowań w neurologii od czasów odkrycia synaps. Zmusiłoby to naukowców do poszerzenia obowiązującego modelu funkcjonowania układu nerwowego, który dziś zakłada wyłącznie elektrochemiczne formy transmisji.
Potencjalne skutki praktyczne są ogromne. W dziedzinie neurodiagnostyki mogłoby to oznaczać rozwój zupełnie nowych technik obrazowania aktywności mózgu, wykorzystujących światło zamiast – lub obok – tradycyjnych impulsów elektrycznych. W leczeniu chorób neurodegeneracyjnych pojawiłaby się możliwość modulowania światła w określonych szlakach neuronalnych jako nowej formy terapii. Z kolei interfejsy mózg-komputer mogłyby zyskać znacznie szybsze, mniej inwazyjne kanały komunikacji oparte na fotonice, które zastąpiłyby dotychczas stosowane elektrody.
Projekt badawczy z Rochester jest jednym z pierwszych poważnych i finansowanych programów, które chcą w sposób empiryczny przetestować teorię optycznej transmisji w neuronach. Do tej pory temat pozostawał domeną spekulacji i teoretycznych modeli. Jeśli zespół Postigo i Teliasa odniesie sukces, może to zapoczątkować nowy paradygmat neurooptyki – dziedziny łączącej optykę, biologię molekularną, inżynierię i neurologię.