Znanstvenici su od proteina iz jednostanične alge napravili prekidač kojim mogu svjetlom aktivirati odabrane živčane stanice. Za otkrića na kojima se temelji ta metoda, optogenetika, ovogodišnju Nobelovu nagradu za fiziologiju ili medicinu dobili su Karl Deisseroth, Peter Hegemann i Georg Nagel. Njihov je rad omogućio pokuse u kojima se može izravno ispitati kako pojedine skupine neurona utječu na pamćenje, osjete i ponašanje.
Nagrada je objavljena 5. listopada, a priča o nagrađenom otkriću počinje daleko od neuroloških klinika: pitanjem kako mikroskopska zelena alga prepoznaje svjetlost i pliva prema njoj. Pokazalo se da se njezin mehanizam može iskoristiti i u stanicama sisavaca.
Protein koji se otvara na svjetlu
Hegemann je proučavao algu roda Chlamydomonas, čija je reakcija na svjetlost neobično brza. Zajedno s Nagelom istražio je proteine iz njezine stanične membrane i utvrdio da neki od njih istodobno primaju svjetlosni podražaj i propuštaju ione, električki nabijene čestice.
Ti su proteini nazvani kanalrodopsini. Jedan od njih, kanalrodopsin-2, otvara se kada ga obasja plava svjetlost. Tada kroz membranu u stanicu mogu ući pozitivno nabijeni ioni, čime se mijenjaju njezina električna svojstva. Za taj učinak nije potreban dug niz kemijskih reakcija: protein izravno povezuje svjetlosni podražaj s prolaskom iona.
Upravo je to privuklo istraživače mozga. Neuroni prenose signale promjenama električnog napona na svojoj membrani, a te promjene ovise o kretanju iona. Protein koji se otvara na svjetlu pružao je mogućnost da se živčani signal potakne u točno određenom trenutku.
Plava svjetlost pokrenula je živčani signal
Deisserothova skupina na Sveučilištu Stanford uvela je gen za kanalrodopsin-2 u uzgojene neurone štakora. Stanice su počele proizvoditi protein i ugrađivati ga u svoju membranu. Nakon toga kratki bljeskovi plave svjetlosti mogli su u njima izazvati električne impulse.
U radu objavljenom 2005. u časopisu Nature Neuroscience istraživači su pokazali da se aktivnošću neurona može upravljati s preciznošću od nekoliko milisekundi. Kratkim svjetlosnim impulsima mogli su izazivati nizove živčanih signala te utjecati na njihov prijenos između stanica.
Metoda omogućuje i odabir stanica koje će reagirati na svjetlost. Istraživači mogu postići da svjetlosno osjetljivi protein proizvodi određena skupina neurona. Time lakše razdvajaju uloge različitih vrsta stanica koje se nalaze jedne pokraj drugih, što je znatno teže postići običnom električnom stimulacijom.
Za pokuse u živom mozgu trebalo je pronaći način da svjetlost dopre do odabranih stanica. U istraživanjima na miševima do ciljanog se područja dovodi tankim optičkim vlaknom. Takav pokus zahtijeva uvođenje gena u odabrane neurone i pristup moždanom tkivu. Nije dovoljno izvana osvijetliti glavu.
Od promatranja mozga do ispitivanja uzroka
Snimanje aktivnosti mozga može pokazati da se neka skupina stanica aktivira dok životinja nešto radi. Optogenetika omogućuje dodatni pokus: istraživači mogu aktivirati odabrane stanice i provjeriti hoće li se ponašanje promijeniti. Uz proteine koji potiču aktivnost razvijeni su i oni kojima se ona može prigušiti.
U pokusu iz 2007. Deisserothova je skupina uvela gen za kanalrodopsin-2 u odabranu vrstu neurona motoričke kore miševa, područja koje sudjeluje u upravljanju pokretima. Kada su do tih stanica optičkim vlaknom doveli svjetlost, mogli su izazvati pomicanje mišjih brkova. Takvi pokusi povezuju aktivnost točno određenih stanica s vidljivom reakcijom životinje.
Djelomično vraćen vid uz posebne naočale
Optogenetika se već primjenjuje u laboratorijskim istraživanjima, a ispituje se i njezina medicinska primjena. U radu objavljenom 2021. u časopisu Nature Medicine opisan je slučaj osobe koja je izgubila vid zbog pigmentne degeneracije mrežnice. Nakon eksperimentalnog postupka mogla je uz posebne naočale uočavati i brojiti neke predmete te odrediti gdje se nalaze.
U oko je uveden gen za svjetlosno osjetljivi protein ChrimsonR. Naočale su snimale okolinu i pretvarale promjene svjetline u svjetlosne impulse usmjerene prema mrežnici, gdje su aktivirale genetski prilagođene ganglijske stanice. Time su istraživači pokušali nadomjestiti dio funkcije izgubljenih fotoreceptora, stanica koje inače prve primaju svjetlosni podražaj.
Riječ je bila o djelomičnom oporavku vidne funkcije kod jednog pacijenta, a ne o vraćanju normalnog vida. U opisanim testovima pacijent bez naočala nije mogao vidjeti predmete ni nakon primjene terapije. Za širu primjenu potrebno je u kliničkim ispitivanjima utvrditi koliko je takav pristup siguran, kome može pomoći i koliko dugo učinak traje.
