Oczy wszystkich osób zebranych w sali wykładowej Marine Biological Laboratory w Woods Hole w USA skupiły się na ekranie, na którym dr George Augustine z Nanyang Technological University w Singapurze prezentował krótkie wideo. Przedstawiało mysz o ciemnym futerku, do której mózgu podłączono długi kabel światłowodowy. Początkowo gryzoń żwawo biegał po obszarze wyznaczonym mu przez naukowców. Gdy jednak przez kabel popłynął strumień światła, zachowanie myszy gwałtownie się zmieniło.

Szybkie ruchy przeszły w krótkie, urywane. Pojawiły się kłopoty z koordynacją. Jedna z przednich łapek zwisła bezwładnie. Mysz miała poważne trudności z przejściem choćby niewielkiego odcinka. Tak jakby nagle zapadła na zaawansowaną postać choroby Parkinsona. Wystarczyło jednak wyłączyć światło, by objawy ustąpiły. W ciągu sekundy mysz wracała do żywej bieganiny.

Te nagłe przemiany, które tak zdumiały zgromadzonych na wykładzie, to przykład za-stosowania jednej z najnowszych i najprężniej rozwijających się metod wpływania na układ nerwowy: optogenetyki. Wciąż jeszcze funkcjonuje ona głównie jako metoda do badań układu nerwowego u zwierząt laboratoryjnych, ale ostatnio zaczyna opuszczać mury instytutów naukowych. Uczeni liczą na to, że właśnie optogenetyka przyniesie ratunek ludziom chorym na nieuleczalne choroby układu nerwowego – przede wszystkim mózgu.

Dźwięk, który pobudza neurony

W 2008 r. dr William Tyler z Arizona State University odkrył, że ultra-dźwięki o starannie dobranej częstotliwości potrafią pobudzić komórki nerwowe. Zabieg jest nieinwazyjny – fale dźwiękowe bez problemu przenikają przez skórę i kości czaszki, podobnie jak przy badaniu USG.

Gdy o tym odkryciu dowiedział się dr Stuart Hameroff z University of Arizona, postanowił sprawdzić, czy ultradźwiękami można zmienić nastrój u ludzi. Zgodnie z wielowiekową tradycją, pierwszy eksperyment przeprowadził na sobie samym. Chwilę po tym, gdy jego mózg przeniknęły ultradźwięki, dr Hameroff stwierdził, że nic się nie dzieje. „Ale już minutę później poczułem się tak, jakbym wypił martini” – wspomina. Stan dobrego nastroju utrzymywał się przez ponad godzinę.

Testy na większej grupie pacjentów potwierdziły skuteczność ultradźwięków. Również dr Tyler wkrótce zaczął prowadzić badania z udziałem ludzi. W 2014 r. ogłosił, że po ultradźwiękowej stymulacji mózgu u pacjentów zmieniała się percepcja. Potrafili dokładniej odróżnić, czy dotknięto ich w jednym punkcie ciała, czy w dwóch. Naukowcy mają nadzieję, że ultradźwięki będzie można stosować w leczeniu depresji, zaburzeń czucia oraz innych chorób psychicznych i neurodegeneracyjnych.

Światłem w glona

Nawet najbardziej precyzyjne sposoby stymulacji mózgu za pomocą prądu, fal magnetycznych czy ultradźwięków podrażniają jednocześnie wiele dodatkowych neuronów. Tymczasem w mózgu często jest tak, że komórki położone tuż obok pełnią zupełnie inną funkcję. Wpływanie na ich pracę może prowadzić do powstania uciążliwych, a nawet niebezpiecznych skutków ubocznych.

Niestety, do niedawna nie było sposobu, by pobudzić lub zablokować tylko kilka lub na-wet jeden konkretny neuron. Taką władzę dała uczonym dopiero optogenetyka. Metodę tę wynaleziono w roku 2005. Na jej trop uczeni wpadli, badając... jednokomórkowe glony. Odkryli u nich wrażliwe na światło białko, które tworzyło jednocześnie kanał w błonie komórkowej. Pod wpływem promieni świetlnych otwierał się on, wpuszczając do środka komórki naładowane dodatnio cząsteczki (to tzw. kationy).

 

Uczeni znaleźli gen, który koduje to światłoczułe białko, i przeszczepili go komórkom nerwowym. Wtedy się zaczęło. Wystarczyło bowiem skierować na tak zmodyfikowany neuron wiązkę światła, a natychmiast wzbudzał się on i przekazywał sygnał dalej.

Fabryka fałszywych wspomnień

Dzisiaj optogenetyka króluje w laboratoriach neurobiologicznych. Za jej pomocą uczeni modyfikują często mózgi myszy. Niekiedy zmieniają geny gryzoni już na etapie zarodka. Częściej jednak dorosłe myszy infekują wirusami, które przenoszą geny kodujące światłoczułe białka. W obu przypadkach efektem manipulacji są neurony, którymi można sterować. Zastosowania tej metody są niezwykle widowiskowe.

Dr André Fenton z New York University uczestniczył w badaniach zespołu kierowanego przez prof. René Hena z Columbia University. Wrażliwe na światło białka uczeni wstawili w starannie wybrane neurony części mózgu zwanej hipokampem. Podejrzewali, że odpowiadają one za powstawanie zespołów lękowych u zwierząt. Dr Fenton pokazuje często nagranie myszy, którą wypuszcza się na platformę. W paru miejscach ta „arena” nie ma barierek – łatwo z niej spaść. Mysz jest bardzo ostrożna, nie zbliża się do niebezpiecznych krawędzi i wędruje tylko jedną ścieżką. Gdy jednak włączy się światło podpięte do jej mózgu, zachowanie ulega gwałtownej przemianie. Lęki natychmiast mijają. Gryzoń brawurowo eksploruje nowe obszary, zbliża się do krawędzi, a nawet przechyla się przez nie, ryzykując upadek. „Mysz staje się nieustraszona” – wyjaśnia dr Fenton.

Z kolei zespół Susumu Tonegawy z Massachusetts Institute of Technology za pomocą optogenetyki badał tworzenie się wspomnień w hipokampie. Uczeni umieszczali myszy na arenie, pozwalając im ją zwiedzać. Mózgi gryzoni zostały tak zmodyfikowane, że nowe wrażenia zapisywały się w neuronach wrażliwych na światło. Następnego dnia uczeni umieścili zwierzęta na nowej arenie. Jednocześnie oświetlili te neurony, które zapisały wspomnienie poprzedniego miejsca, oraz porazili myszy prądem. Kiedy potem przenieśli zwierzęta na starą arenę, gryzonie zamarły ze strachu. Skojarzyły wspomnienie tego miejsca z porażeniem prądem. A przecież to nie tutaj spotkała je przykrość! W ich mózgu dzięki sterowaniu światłem wytworzyły się więc całkowicie fałszywe wspomnienia.

Ten sam uczony w kolejnych badaniach poszedł jeszcze dalej. Wraz ze swym zespołem badawczym sprawił, że u samców myszy wrażliwe na światło stawały się albo neurony kodujące wspomnienia przykre (porażenie prądem), albo miłe (spotkanie z partnerką). Następnie komórki nerwowe związane z przykrymi wspomnieniami uczeni pobudzali, gdy wokół samca kręciła się atrakcyjna seksualnie samica. Zmieniało to powiązania emocjonalne wspomnień. Samce, które po takiej operacji wróciły do klatki, gdzie porażano je prądem, odczuwały zdecydowanie mniejszy strach. Podobnie udało się odwrócić powiązania emocjonalne wspomnień miłych i przykrych. Zapis samego zdarzenia pozostawał przy tym bez zmian. Modyfikacji ulegały jedynie emocje, jakie budziło jego przywoływanie. To tak, jak gdyby u ludzi wspomnienie pijanego bandyty z nożem w ręku, zamiast wzbudzać strach, powodowało rozmarzenie.

Pacjenci pod prądem i magnesem

Medycyna ma do dyspozycji kilka sposobów wpływania na układ nerwowy człowieka. Elektrowstrząsy, choć cieszą się do dziś niezasłużenie złą sławą, są stosowane od 1938 r. Mózg pacjenta jest bombardowany seriami krótkich wyładowań elektrycznych. Zabieg jest bezbolesny – prowadzi się go po podaniu środków znieczulających oraz zmniejszających napięcie mięśni. Elektrowstrząsy stosuje się obecnie głównie do leczenia ciężkiej depresji, czasem też choroby afektywnej dwubiegunowej (nazywanej powszechnie depresją maniakalną) oraz schizofrenii.

Wadą tej metody jest to, że pobudza jednocześnie wiele komórek nerwowych. Nie są to więc tylko te, które rzeczywiście potrzebują stymulacji, ale też liczne są-siadujące z nimi. Większą precyzję mają stymulatory, które wszczepia się w ciało chorych. Można nimi pobudzać nerw błędny, przekazujący informacje z narządów wewnętrznych do mózgu. Taka stymulacja jest stosowana w terapii epilepsji oraz ciężkich postaci depresji.

Jeszcze dokładniejsze jest wszczepianie pary elektrod głęboko w mózg. Stosuje się to, by u chorych na Parkinsona łagodzić objawy w postaci drżeń, sztywności, problemów z chodzeniem i niekontrolowanych ruchów. Za pomocą takich stymulatorów próbuje się też leczyć depresję oraz zaburzenia obsesyjno-kompulsywne (znane jako nerwica natręctw).

Mniej inwazyjne jest zastosowanie pola magnetycznego. Metoda zwana rTMS polega na użyciu elektromagnesów, które ustawia się przy czole, w pobliżu obszaru odpowiedzialnego za nastrój. Następnie generowane są krótkie impulsy magnetyczne. Pacjent nie musi być znieczulany. Impulsy magnetyczne przenikają przez czaszkę i docierają około 5 cm w głąb mózgu. Impulsy magnetyczne można też podawać w wyższej częstotliwości niż przy rTMS. Do takiego zabiegu pacjenta należy jednak znieczulić i podać mu środki zmniejszające napięcie mięśni. Intensywne pole magnetyczne działa bowiem podobnie jak elektrowstrząsy, choć daje mniej skutków ubocznych. Ta terapia, stosowana u pacjentów z depresją, jest jednak dopiero w fazie testów. Na wyniki badań przyjdzie więc trochę poczekać.

 

Infekcja dla dobra pacjenta

Te wszystkie modyfikacje, choć w pierwszej chwili wyglądają na manipulacje mózgiem dla zabawy, mogą mieć zastosowanie w medycynie. Zmiana skojarzeń emocjonalnych wspomnień bardzo pomogłaby ludziom zmagającym się z traumatycznymi zdarzeniami z przeszłości. Nocne lęki, napady paniki czy depresja zniknęłyby po świetlnej modyfikacji mózgu.

Nie brakuje innych propozycji wykorzystania optogenetyki w medycynie. Zdaniem części badaczy najbliższe praktyce jest blokowanie odczucia przewlekłego bólu oraz łagodzenie zbyt silnego napięcia mięśniowego. Inni postulują, by za pomocą światła leczyć retinopatię barwnikową – rzadką postać uwarunkowanej genetycznie degeneracji siatkówki prowadzącą do ślepoty. Myszom cierpiącym na tę chorobę już udało się przywrócić wzrok, wszczepiając światłoczułe białka w komórki siatkówki.

Dr George Augustine i jego współpracownicy wykazali z kolei, że stymulacja światłem pomaga gryzoniom uzależnionym od kokainy przetrwać okres odstawienia narkotyku. Najwięcej nadziei budzi jednak leczenie parkinsonizmu. Dr Augustine potrafi nie tylko wywołać objawy tej choroby u gryzoni, ale również złagodzić je. Gdyby udało się tak samo zmodyfikować mózgi ludzi, doprowadziłoby to do prawdziwej rewolucji w medycynie.

Problem w tym, że już na wstępie taki pomysł budzi strach. Chorych trzeba by przecież zainfekować wirusem, który zmodyfikowałby DNA ich komórek nerwowych. Należałoby też do ich mózgu podłączyć kabel optyczny, przez co umysł stałby się podatny na manipulację. Być może jednak jest to cena, którą warto zapłacić.


DLA GŁODNYCH WIEDZY:

  • Historia neuromodulacji – www.bit.ly/neuromod
  • Zapis wideo wykładu dr. André Fentona o badaniach mózgu, na którym pokazuje lękliwą mysz zmienioną w brawurową za pomocą światła – www.bit.ly/afenton
  • Artykuł o optogenetyce w serwisie „Nature” – www.bit.ly/optonat