Hjernekontroll med lys: Det er mulig med optogenetikk

Annonse

Medisinske forskere har studert hjernen i mer enn fem hundre år - og etter all den tiden har det gåtefulle organet fremdeles rikelig med hemmeligheter. Til slutt, over bare de siste årene, dukker det opp en ny teknikk kalt “optogenetikk”, som kan hjelpe forskere til å avdekke hjernens hemmeligheter (og behandle lidelser) på en helt ny måte.

Hvorfor trenger vi optogenetikk?

På mange måter er det utrolig at psykiatrisk medisinering fungerer i det hele tatt. Toppmoderne - den aller beste moderne vitenskapen kan gjøre - utgjør å fordype hjernen i et kjemisk bad, og håpe at det gjør den ene tingen vi er interessert i. Og... det fungerer på en måte! Noen ganger.

Det er medisiner som er veldig kraftige for å behandle depresjon, OCD, bipolar lidelse og Parkinsons sykdom. De er ofte spekket med ubehagelige bivirkninger. Medisinene som fungerer, ble ofte oppdaget av ikke annet enn prøving og feiling. I mange tilfeller har ikke forskere en detaljert forståelse av hvordan hjernen fungerer for å oppnå normal funksjon - eller hvordan den fungerer når den ikke fungerer. Disse kunnskapshullene er vanskelig å håndtere gjennom tradisjonelle måter å studere hjernen på, og begrenser muligheten til å utvikle effektive terapier.

Det psykiatere og nevrologer virkelig vil være, er total lese-skrivetilgang til hjernen: muligheten til å nå inni hodet til noen og begeistre eller undertrykke vilkårlige grupper av nevroner, med en-nevronoppløsning, slik at vi kan isolere populasjonene som er funksjonsfrie og korrigere deres oppførsel i sanntid. Dessverre er det upraktisk å sprekke noens hode og åpne ledninger til alle nevroner.

Løftet med optogenetikk er at det faktisk kan la leger oppnå noe i nærheten av den typen tilgang.

Hvordan forskere bruker lys for å kontrollere hjernen

Slik fungerer det: først, forskere injiserer individet med et genmanipulert virus, designet for å infisere hjernevev. Hundrevis av milliarder av eksemplarer av viruset oversvømmer hjernen og injiserer nyttelastene sine i nervecellene når de møter dem.

Disse virusene er ikke skadelige: i stedet for å levere en ondsinnet, selvrepliserende nyttelast, har disse virusene blitt konstruert av forskere til å levere en godartet DNA-streng som koder for spesielle overflateproteiner som reagerer på spesifikke bølgelengder av lys. Virusene fungerer ganske enkelt som engangssprøyter for å levere det spesielle DNAet til cellene.

Nevronene har dette spesielle DNAet, og hvis forholdene er riktige, uttrykker overflateproteiner som får dem til å fyre når de stimuleres med lys - de samme typene proteiner som brukes av menneskelige netthinneceller for å oppdage lys og form Bilder. Ved å forandre DNAet til å være kresen når det uttrykker seg, kan forskere velge hvilke typer nevroner (det er tusenvis av varianter) som uttrykker overflateproteinet og vil reagere på lys.

Deretter ved å kontrollere hvor lyset lyses på hjernen nøye, de spesifikke stedene som blir stimulert eller deprimert kan styres med sub-millimeter presisjon, en grad av kontroll som aldri tidligere har vært mulig. Enda bedre, mange områder av hjernen kan påvirkes uten å trenge å kutte i eller tråde ledninger gjennom hjernestoff, noe som gjør prosedyren mye tryggere enn konvensjonelle former for hjernestimulering.

I følge Ed Boyden, professor i bioingeniørvitenskap og nevrovitenskap ved MIT,

Hvis du kan kontrollere celler i hjernen, kan du finne ut hva deres makt er, hva de kan påvirke - og også hvis du kan kontrollere celler i hjernen du kan fikse avvikende hjernetilstander, og du kan opprette nye typer terapi ved å gjenskape beregningene som har gått galt i en nevrologisk eller psykiatrisk lidelse

Du kan se et ganske teknisk (men ekstremt interessant) foredrag om teknikkene og metodikken nedenfor:

Hva kan du gjøre med optogenetikk?

Se for deg at en forsker ønsker å bedre forstå hvordan depresjon fungerer. Så samler forskeren noen deprimerte mus (ikke spør hvordan forskere lager deprimerte mus, du vil ikke vite det), og begynner å teste.

De sjekker forskjellige typer nevroner og forskjellige regioner i hjernen, og ser hva som skjer når du stimulerer eller deprimerer disse områdene og den slags nevroner. Noen eksperimentelle grupper blir lykkeligere - andre blir mer deprimerte: de fleste gjør ingen av dem. Ved å begrense hvilke populasjoner som er relatert, og hvordan de påvirker utfallet, bygger forskeren sakte et dypt, detaljert funksjonelt kart over hjernen: å isolere maskinens gleder.

Dette er den typen eksperiment som optogenetikk muliggjør, og det står for å gi forskere en dypere forståelse av forskjellige mentale funksjoner og måtene de kan gå galt på.

Allerede har optogenetikk ført til noen interessante potensielle innsikter i de auditive hallusinasjoner av schizofreni. I følge Dr. Karl Deisseroth ved Stanford University, det nå virker sannsynlig at stemmene faktisk er normale komponenter i den interne monologen som blir tolket feil som ytre innflytelse.

“Det kan være en dårlig anerkjent versjon av interne tanker. På en eller annen måte går informasjonen om at en tanke virkelig kommer fra seg selv. Det blir sett på som en fremmed ting, en stemme som snakker. […] [Før optogenetikk] var det ingen måte å vite dette fordi det ikke var noen måte å selektivt kontrollere [cellene] på riktig tidsskala. ”

Denne slags innsikt er vitenskapelig viktig, og kan føre til bedre medisiner og terapier, samt svare på gamle mysterier om naturen til bevissthet og intelligens Tenkemaskiner: Hva nevrovitenskap og kunstig intelligens kan lære oss om bevissthetKan bygging av kunstig intelligente maskiner og programvare lære oss om bevissthetens virke og menneskets sinnes natur? Les mer .

I løpet av en nær fremtid kan leger kanskje ta den innsikten de får fra disse eksperimentene, snu dem, og bruke optogenetikk på faktiske pasienter for å påvirke de nevrologiske aktivitetene som bidrar til depresjon. Optogenetikk gjør det mulig for leger ikke bare å studere hjernen, men også å endre den med langt større presisjon enn det som tidligere har vært mulig.

Bygge en Sanity Hat

Dessverre er det sannsynligvis ikke mulig å bruke optogenetikk på mennesker ikke-invasivt. Hodeskallen er ganske enkelt for tykk, så det er nødvendig å føre fiberoptiske kabler gjennom den. Dette er en større operasjon og har risikoer forbundet med det, utover det som normalt er involvert i å starte et kurs med psykiatrisk medisinering.

Imidlertid har de aktuelle behandlingene potensialet til å være mye mer effektive og ha færre bivirkninger, så det vil sannsynligvis være verdt det for mange pasienter. Det har allerede vært forsket på bruk av elektrisk hjerne pacemakere for å behandle alvorlig depresjon, og resultatene er veldig lovende. Fremtidige behandlingsformer basert på optogenetikk vil sannsynligvis være mindre invasive og mer effektive: når hjernen er rigget med riktig plassering fiberoptiske kabler, kanskje satt inn gjennom nesen for å unngå å bryte hodeskallen, resten av maskinvaren kan lagres eksternt, for enkelt adgang. Implantatet i seg selv (fiberoptiske kabler og laserdioder) ville bare trenge strøm og et kontrollsignal, ting som en dag kan leveres trådløst.

Resten av maskinvaren (datamaskinen, batteriet og så videre) kan potensielt bæres eksternt, slik at pasientens lege kan omprogrammere den etter behov, uten å kreve ytterligere kirurgi.

Utover å korrigere mental sykdom, gir optogenetikk også en mye mer biokompatibel og mindre inngripende måte å direkte stimulere nerveceller i hjernen og kroppen enn konvensjonelle implanterte elektroder, som ville gå langt lager transhumanistiske ytelsesforbedrende implantater Plugg i hjernen og kroppen din - fremtiden for implanterte datamaskinerMed den nåværende trenden med teknisk innovasjon og avansement, er nå et godt tidspunkt å utforske den moderne teknologien innen datamaskine-menneskelige teknologier. Les mer mer praktisk.

For å være tydelig, er dette fremdeles lang vei: optogenetikk er et mye brukt forskningsverktøy akkurat nå (vi har dekket eksperimenter med det før Lettminneeksperiment påvirker musen hjerner som en MIB NeuralyzerHusker du da Will Smith og Tommy Lee Jones brukte nevralysatoren for å slette folks minner? UC Davis-forskere har vellykket "slettet spesifikke minner" innen mus ved bruk av lys. Les mer ). Imidlertid er dens rolle som klinisk terapi minst et tiår eller to unna, og kan godt erstattes av andre teknikker som kan gi lignende resultater mindre inngripende.

Fortsatt er utsiktene spennende, og noen applikasjoner kan komme før. For eksempel er det mulig å bruke optogenetikk for å bygge bedre cochleaimplantater med mye større presisjon.

Er ikke alt dette virkelig skummelt?

Noen av dere som leser dette, tegner allerede tinfoil-hattene strammere rundt ørene, og det er helt rettferdig: denne typen tilgang til hjernen er enestående utenom et visst merke hysterisk vitenskap skjønnlitteratur. Potensialet for overgrep er i det minste verdt å diskutere.

Hvis du kan utøve kontroll over hjernen til å fikse depresjon og schizofreni og personlighetsforstyrrelser, kan du gjøre det også være i stand til å utøve nok kontroll til å omprogrammere noens seksuelle orientering - eller lobotomisere bølle barn og fanger. Risikoen for foreldre som prøver å bruke slik teknologi for å tvinge endringer i identiteten til barna, er en som åpner for helt nye etiske bekymringer som medisin vil håndtere for første gang noen gang.

Utover det, fra et enkelt datasikkerhetsperspektiv, er mange moderne medisinske enheter rett og slett ikke sikre nok og kan hackes, i noen tilfeller trådløst. Den slags kompromisser er det skummelt nok med en pacemaker, men det blir virkelig grufullt når du vurderer utsiktene til at en angriper (potensielt) kan ape rundt i hodet ditt uten tillatelse.

Forskerne som jobber med disse terapiene, er ikke uvitende om disse problemene. Karl Deisseroth bragte i samme intervju sitert over det samme poenget:

"Optogenetikkens spesifisitet reiser spørsmålet om hvor nøyaktig en kan finjustere en hjerne for å virkelig skape et individ med forskjellige behov, ønsker, prioriteringer, følelser […] er det også et urovekkende aspekt som reiser spørsmål om fri vil."

Fortsatt er disse bekymringene svake i sammenligning med det enorme antallet mennesker som lider fryktelig av psykologiske sykdommer som for øyeblikket er ubehandlede som optogenetikk har potensial til å hjelpe. Denne teknologien er mer nyttig enn den er farlig, og som den er utviklet i løpet av de neste tiårene, kan den endre mentaliteten av psykisk terapi radikalt.

Hva tror du? Skummelt, kult, eller et sted i mellom? Har optogenetikk potensialet til å hjelpe deg personlig? Gi oss beskjed i kommentarene!

Bildekreditt: Nerveceller Via Shutterstock, “Tinfoil” av Russ Walker