Kas bendro tarp vienaląsčių dumblių ir žmogaus smegenų? Jų tyrimai padėjo sukurti optogenetiką – būdą, leidžiantį šviesa aktyvinti arba slopinti pasirinktas nervines ląsteles. Šis atradimas suteikė mokslininkams naujų galimybių aiškintis, kaip veikia atmintis, baimė ir neuronų tinklai.
Nuo smegenų stebėjimo – prie jų veiklos tyrimų
Kauno technologijos universiteto Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto neuromokslininkė Karolina Armonaitė aiškina, kad magnetinio rezonanso tomografija, elektroencefalografija ir kiti tyrimo būdai dažniausiai leidžia stebėti didelių neuronų grupių veiklą, tačiau ne kiekvienos ląstelės indėlį.
„Žmogaus smegenyse atskirų neuronų ar nedidelių jų grupių aktyvumą galime registruoti tik išskirtiniais klinikiniais atvejais, pavyzdžiui, gydant epilepsiją. Todėl, norint išsamiau suprasti, kaip sudaryti neuronų tinklai ir kaip konkrečios jų dalys reaguoja į įvairius dirgiklius, dažnai naudojami gyvūnų modeliai“, – aiškina ji.
Vien stebint gyvūno smegenis ne visada galima nustatyti, ar tam tikrų neuronų veikla sukelia konkrečią reakciją, ar tik ją lydi. Optogenetika leidžia tai patikrinti: pasirinktas ląsteles galima suaktyvinti ar nuslopinti ir stebėti, kaip pasikeičia elgesys.
Kaip šviesa „įjungia“ neuronus?
Optogenetikos pagrindas – vienaląsčiuose dumbliuose aptikti šviesai jautrūs baltymai. Tam tikro bangos ilgio šviesa pakeičia jų sandarą, atveria jonų kanalus ląstelės membranoje ir taip keičia ląstelės elektrinį aktyvumą.
Peteris Hegemannas ir Georgas Nagelis ištyrė tokių baltymų savybes, o Karlas Deisserothas juos pritaikė nervinių ląstelių aktyvumui valdyti. Šių mokslininkų darbai įvertinti 2026 metų Nobelio fiziologijos arba medicinos premija.
Genetiniais metodais šviesai jautrius baltymus koduojantys genai įterpiami į pasirinktas gyvūno nervines ląsteles. Tuomet į atitinkamą smegenų sritį nukreipta šviesa leidžia jas aktyvinti arba slopinti milisekundžių tikslumu.
Toks tikslumas padeda išsiaiškinti ne tik tai, kurios nervinių ląstelių grupės dalyvauja tam tikrame vyksme, bet ir kokia seka bei ritmu jos turi veikti.
Ar įmanoma sužadinti baimės prisiminimą?
Viename iš K. Armonaitės aptariamų bandymų pelė tam tikroje aplinkoje patyrė silpną elektros impulsą. Mokslininkai pažymėjo tuo metu aktyvius hipokampo neuronus, dalyvavusius formuojantis nemaloniam prisiminimui.
Vėliau, jau saugioje aplinkoje, šviesa suaktyvinus tuos pačius neuronus, pelė sustingo – pasireiškė baimės reakcija, nors elektros impulso nebebuvo. Tai parodė, kad konkrečių neuronų aktyvinimo pakanka šiai reakcijai sužadinti.
Tokie bandymai padeda atskleisti, kurios neuronų grandinės susijusios su prisiminimais, judesiais, miegu ar baime. Mokslininkai gali tirti ne vien smegenų veiklos ir elgesio sąsajas, bet ir priežastinius ryšius.
Ką šis atradimas reiškia ligų tyrimams?
Tyrimuose su gyvūnais, suaktyvinus arba nuslopinus tam tikrus neuronus, pavyko sumažinti Parkinsono ligai būdingus judėjimo sutrikimus, epilepsijos priepuolius ar su depresija susijusį elgesį. Tai dar nėra įrodymas, kad taip pat būtų galima gydyti žmones.
Mokslininkų pastangos geriau suprasti Parkinsono ligos požymius ir kitus nervų sistemos sutrikimus rodo, kiek svarbu tirti pačias neuronų grandines, o ne vien atskiras smegenų sritis.
Ar smegenų ligas ateityje gydys šviesa?
Pasak K. Armonaitės, optogenetika kol kas daugiausia naudojama laboratoriniuose tyrimuose. Žmogaus smegenyse ją taikyti sunku: reikėtų saugiai įterpti šviesai jautrius baltymus koduojančius genus į pasirinktas ląsteles, o gilesnėms smegenų sritims pasiekti gali tekti implantuoti optines skaidulas.
Būtina įvertinti ir ilgalaikį saugumą: vienos neuronų grandinės paveikimas neturi sutrikdyti kitų svarbių funkcijų.
Palankesnė tyrimų kryptis – akių tinklainės ligos, nes šviesa lengviau pasiekia akies nervines ląsteles. Regėjimo išsaugojimas ir atkūrimas jau seniai yra svarbus medicinos siekis, o optogenetika atveria dar vieną galimą kelią.
„Optogenetikos tyrimuose sukauptos žinios gali būti panaudotos kuriant tikslesnius vaistus, tobulinant giliosios smegenų stimuliacijos ir kitus neuromoduliacijos metodus. Regėjimo atkūrimo tyrimai rodo, kad klinikinis optogenetikos taikymas jau pradeda tapti realybe“, – teigia K. Armonaitė.
Taigi šviesa valdyti pasirinktas nervines ląsteles mokslininkai jau išmoko. Tačiau iki saugaus ir plačiai taikomo žmonių smegenų ligų gydymo šiuo būdu dar laukia nemažai tyrimų.
Parengta pagal Kauno technologijos universiteto pranešimą.
