Hjernekontrol med lys: Det er muligt med optogenetik

Reklame

Medicinske forskere har undersøgt hjernen i mere end fem hundrede år - og efter al den tid har det gåtefulde organ stadig masser af hemmeligheder. Endelig, lige over de sidste par år, opstår en ny teknik kaldet “optogenetik”, som kan hjælpe forskere med at afsløre hjernens hemmeligheder (og behandle dets forstyrrelser) på en helt ny måde.

Hvorfor har vi brug for optogenetik?

På mange måder er det forbløffende, at psykiatrisk medicin overhovedet fungerer. Den moderne teknik - den allerbedste moderne videnskab kan gøre - svarer til at nedsænke hjernen i et kemisk bad og håbe, at det gør den ene ting, vi er interesseret i. Og... det virker slags! Sommetider.

Der er lægemidler, der er meget magtfulde til behandling af depression, OCD, bipolar lidelse og Parkinsons sygdom. De er ofte fyldt med ubehagelige bivirkninger. De medikamenter, der fungerer, blev ofte opdaget af intet andet end forsøg og fejl. I mange tilfælde har forskere ikke en detaljeret forståelse af, hvordan hjernen fungerer for at opnå normal funktion - eller hvordan den fungerer, når den ikke fungerer. Disse videnhuller er svære at tackle ved hjælp af traditionelle måder at studere hjernen og begrænser evnen til at udvikle effektive terapier.

Hvad psykiatere og neurologer virkelig gerne vil have er total læse-skriveadgang til hjernen: evnen til at nå ind i andres hoved og begejstre eller undertrykke vilkårlige grupper af neuroner med en enkelt neuronopløsning, så vi kan isolere de populationer, der er dysfunktionelle og korrigere deres opførsel i realtid. Desværre er det upraktisk at knække noens hoved åbent og køre ledninger til enhver neuron.

Løftet med optogenetik er, at det faktisk kan lade læger opnå noget tæt på den slags adgang.

Hvordan forskere bruger lys til at kontrollere hjernen

Sådan fungerer det: først sprøjter forskere emnet med en genetisk manipuleret virus, der er designet til at inficere hjernevæv. Hundredvis af milliarder af kopier af virussen oversvømmer hjernen og sprøjter deres nyttelast ind i nerveceller, når de støder på dem.

Disse vira er ikke skadelige: I stedet for at levere en ondsindet, selvreplicerende nyttelast, er disse viraer konstrueret af forskere leverer en godartet DNA-streng, der koder for specielle overfladeproteiner, der reagerer på specifikke bølgelængder af lys. Viraerne tjener simpelthen som engangssprøjter til levering af det specielle DNA til cellerne.

Neuronerne inkorporerer dette specielle DNA, og udtrykker overfladeproteiner, der får dem til at fyre, hvis betingelserne er rigtige når de stimuleres med lys - de samme slags proteiner, der bruges af humane nethindeceller til at detektere lys og form billeder. Ved at ændre DNA'et til at være mere beskyttet, når det udtrykker sig, kan forskere vælge, hvilke slags neuroner (der er tusinder af sorter), der udtrykker overfladeproteinet og vil reagere på lys.

Derefter ved omhyggeligt at kontrollere, hvor der lyses lys på hjernen, de specifikke placeringer, der stimuleres eller deprimeret kan styres med sub-millimeter præcision, en grad af kontrol, der aldrig tidligere har været muligt. Endnu bedre kan mange områder af hjernen påvirkes uden at skulle skære i eller tråde ledninger gennem hjerneemateriale, hvilket gør proceduren meget sikrere end konventionelle former for hjernestimulering.

Ifølge Ed Boyden, professor i bioingeniør og neurovidenskab ved MIT,

Hvis du kan kontrollere celler i hjernen, kan du finde ud af, hvad deres magt er, hvad de kan påvirke - og også, hvis du kan kontrollere celler i hjernen, kan ordne afvigende hjernetilstander, og du kan oprette nye former for terapi ved at resculere de beregninger, der er gået galt i en neurologisk eller psykiatrisk sygdom

Du kan se et forholdsvis teknisk (men ekstremt interessant) foredrag om teknikkerne og metodologien herunder:

Hvad kan du gøre med optogenetik?

Forestil dig, at en forsker ønsker bedre at forstå, hvordan depression fungerer. Så forskeren samler nogle deprimerede mus (spørg ikke, hvordan forskere skaber deprimerede mus, du vil ikke vide), og begynder at teste.

De tjekker forskellige slags neuroner og forskellige regioner i hjernen og ser, hvad der sker, når du stimulerer eller deprimerer disse områder og den slags neuroner. Nogle eksperimentelle grupper bliver lykkeligere - andre bliver mere deprimerede: de fleste gør ingen af ​​dem. Ved at indsnævre, hvilke populationer der er relateret, og hvordan de påvirker resultatet, bygger forskeren langsomt et dybt, detaljeret funktionelt kort over hjernen: isolering af glædernes maskineri.

Dette er den form for eksperiment, som optogenetik muliggør, og det står til at give forskerne en dybere forståelse af forskellige mentale funktioner og måder, de kan gå galt på.

Optogenetik har allerede ført til nogle interessante potentielle indsigter i de auditive hallucinationer af skizofreni. Ifølge Dr. Karl Deisseroth fra Stanford University, det nu ser sandsynligvis ud at stemmene faktisk er normale komponenter i den interne monolog, der fortolkes forkert som ydre indflydelse.

”Det kan være en dårligt anerkendt version af interne tanker. På en eller anden måde går informationen om, at en tanke virkelig kommer fra sig selv, tabt. Det ses som en fremmed ting, en stemme, der taler. […] [Forud for optogenetik] var der ingen måde at vide dette på, fordi der ikke var nogen måde at selektivt kontrollere [cellerne] på den rigtige tidsskala. ”

Disse former for indsigt er videnskabeligt vigtige og kan føre til bedre medicin og terapier samt besvare gamle mysterier om naturen af ​​bevidsthed og intelligens Tænkemaskiner: Hvad neurovidenskab og kunstig intelligens kan lære os om bevidsthedKan bygning af kunstigt intelligente maskiner og software lære os om bevidsthedens funktion og selve menneskets sind? Læs mere .

I den nærmeste fremtid kan læger muligvis tage den indsigt, de får fra disse eksperimenter, vende dem rundt, og brug optogenetik på faktiske patienter til at påvirke de neurologiske aktiviteter, der bidrager til depression. Optogenetik gør det muligt for læger ikke kun at studere hjernen, men også at ændre den med langt større præcision, end der tidligere har været muligt.

Bygning af en Sanity Hat

Desværre er det sandsynligvis ikke muligt at bruge optogenetik på mennesker ikke-invasivt. Kraniet er simpelthen for tykt, så det er nødvendigt at føre fiberoptiske kabler gennem den. Dette er en større operation og har risici forbundet med det, ud over hvad der normalt er involveret i påbegyndelse af et kursus med psykiatrisk medicin.

Imidlertid har de aktuelle behandlinger potentialet til at være meget mere effektive og have færre bivirkninger, så det vil sandsynligvis være det værd for mange patienter. Der er allerede undersøgt brug af elektrisk hjerne pacemakere til behandling af svær depression, og resultaterne er meget lovende. Fremtidige behandlingsformer baseret på optogenetik vil sandsynligvis være mindre invasive og mere effektive: når hjernen først er rigget med korrekt positioneret fiberoptiske kabler, måske indsat gennem næsen for at undgå brud på kraniet, resten af ​​hardware kan opbevares eksternt for let adgang. Implantatet i sig selv (fiberoptiske kabler og laserdioder) ville kun kræve strøm og et kontrolsignal, ting, der måske en dag leveres trådløst.

Resten af ​​hardware (computeren, batteriet osv.) Kunne potentielt bæres eksternt, så patientens læge kan omprogrammerer det efter behov uden at kræve yderligere kirurgi.

Ud over at korrigere mental sygdom giver optogenetik også en meget mere biokompatibel og mindre invasiv måde at direkte stimulere nerveceller i hjernen og kroppen end konventionelle implanterede elektroder, som ville gå langt imod making transhumanistisk præstationsforbedrende implantater Tilslutter din hjerne og krop - fremtiden for implanterede computereMed den nuværende tendens inden for teknisk innovation og udvikling er det nu et godt tidspunkt at udforske den nyeste teknologi inden for computer-menneskelige teknologier. Læs mere mere praktisk.

For at være klar er det stadig langt væk: optogenetik er et vidt brugt forskningsværktøj lige nu (vi har dækkede eksperimenter ved hjælp af det før Eksperiment af let hukommelse påvirker musehjerner som en MIB-neuralyseKan du huske, hvornår Will Smith og Tommy Lee Jones brugte neuralysatoren til at slette folks minder? Nå, UC Davis-forskere har med succes "slettet specifikke minder" inden for mus ved hjælp af lys. Læs mere ). Imidlertid er dens rolle som klinisk terapi mindst et årti eller to væk og kan meget vel erstattes af andre teknikker, der kan give lignende resultater mindre invasivt.

Udsigterne er stadig spændende, og nogle applikationer kan komme før. For eksempel er det muligt at bruge optogenetik til at bygge bedre cochleaimplantater med meget større præcision.

Er ikke alt dette virkelig skræmmende?

Nogle af jer, der læser dette, tegner allerede dine tinfoil hatte strammere rundt om dine ører, og det er helt fair: denne form for adgang til hjernen er hidtil uset uden for et bestemt mærke af hysterisk videnskab fiktion. Potentialet for misbrug er i det mindste værd at diskutere.

Hvis du kan udøve tilstrækkelig kontrol over hjernen til at ordne depression og skizofreni og personlighedsforstyrrelser, kan du måske også være i stand til at udøve tilstrækkelig kontrol til at omprogrammere nogens seksuelle orientering - eller lobotomisere bøllebørn og fanger. Risikoen for forældre, der prøver at bruge sådan teknologi til at tvinge identitetsændringer på deres børn, er en, der åbner helt nye etiske betænkeligheder, som medicin vil håndtere for første gang nogensinde.

Ud over det, set fra et simpelt computersikkerhedsperspektiv, er mange moderne medicinske enheder simpelthen ikke sikre nok og kan hackes, i nogle tilfælde trådløst. Den slags kompromis er skræmmende nok med en pacemaker, men det bliver virkelig forfærdeligt, når du overvejer udsigten til, at en angriberen (potentielt) kan abe rundt i dit hoved uden tilladelse.

Forskerne, der arbejder med disse behandlingsformer, er ikke uvidende om disse problemer. Karl Deisseroth bragte i samme interview, der citeres ovenfor, det samme punkt:

”Optogenetikens specificitet rejser spørgsmålet om, hvor præcist man kunne finjustere en hjerne for virkelig at skabe et individ med forskellige behov, ønsker, prioriteter, følelser […] er der også et foruroligende aspekt, der rejser spørgsmål om fri vilje."

Disse bekymringer er stadig blegne i sammenligning med det enorme antal mennesker, der lider forfærdeligt af i øjeblikket ubehandlede psykiatriske sygdomme, som optogenetik har potentialet til at hjælpe. Denne teknologi er mere nyttig end den er farlig, og da den er udviklet i løbet af de næste par årtier, kan den radikalt ændre karakteren af ​​mental sundhedsterapi.

Hvad synes du? Skræmmende, cool eller et eller andet sted imellem? Har optogenetik potentialet til at hjælpe dig personligt? Fortæl os det i kommentarerne!

Billedkredit: Neuroner Via Shutterstock, "Sølvpapir," af Russ Walker