Az optogenetika úgy hangzik, mint egy félelmetes választható tantárgy, amelyet a diákok megpróbálnak elkerülni az egyetemen. De nem olyan ro...
Az optogenetika úgy hangzik, mint egy félelmetes választható tantárgy, amelyet a diákok megpróbálnak elkerülni az egyetemen. De nem olyan rossz, mint sokan gondolják. Egy kis kreatív gondolkodás és néhány tudományos-fantasztikus párhuzam segítségével gyorsan meg lehet érteni, miért az optogenetika a tudomány és az orvostudomány egyik legizgalmasabb területe.
A felszínen az optogenetika lehetővé teheti, hogy távirányítóval kezeljük az agyunkat. Hogyan? A fény használatával. Ezen a "fényvezérlőn" keresztül megnyomhatunk egy gombot, hogy azonnal elaltassuk magunkat. Ha megsérülünk, kikapcsolhatjuk az agy fájdalomreceptorait a vezérlő egy másik gombjának megnyomásával. Vagy használhatjuk a vezérlőt a test különböző motoros funkcióinak irányításához.
A tudományos technika egy olyan jövőbe juttathat bennünket, ahol mindez lehetséges. Az "elmekontroll" újszerű módja alkalmazható az öregedéssel összefüggő agyi állapotok, például az Alzheimer- vagy Parkinson-kór kezelésére. Használható vakság, szív rendellenességek, sőt pszichiátriai betegségek kezelésére is, olyan ígéretek, melyek párhuzamosak Elon Musk Neuralink projektjének állításaival.
Az optogenetika nem valami távoli ötlet a tudomány peremén. A tudományos fantasztikumban gyökerező ötletről van szó, amely a közelmúltbeli áttörő kutatások szerint elérhetőnek tűnik. A klinikusok és kutatók már világszerte használják az emberi agy tanulmányozására.
A neurobiológia és a mérnöki tudomány ezen új területén elért eredmények segítették a kutatókat a fájdalomhoz vezető agyi jelek megfejtésében, a függőség idegi kódjának jobb megértésében, a vak egerekben a látás helyreállításában, az emlékek újraprogramozásában és újak létrehozásában.
Ha sikerül meghaladni jelenlegi korlátait és folytatni azt az utat, amelyen jelenleg járunk, akkor az a neurotechnológia, amelyet azért hoztak létre, hogy az optogenetikát a tudomány élvonalába emelje, megváltoztathatja a világot az elkövetkező években.
Mi az optogenetika?
Az optogenetika a fény használatának tudománya a sejtek viselkedésének szabályozására. Jelenleg az alkalmazott kutatások egyik leggyorsabban fejlődő területe. A technológia legizgalmasabb aspektusa azt ígéri, hogy különböző frekvenciákat használhatunk az agy vezérlésére.
A kérdéses sejtek ebben az esetben neuronok. Shelly Fan a Singularity Hub weboldalon ezt írja: "Az alap neurobiológia és a mérnöki munka ragyogó gondolkodásmódja, amely eltéríti azt a mechanizmust, amely mögött az idegsejtek természetes módon aktiválódnak - vagy elnémulnak - az agyban. Ezt az alkalmazott tudományt világszerte használják a laboratóriumokban, és segítenek új, izgalmas dolgokat felfedezni az elménkben." (1)
"Az optogenetika a genetika és az optika kombinációja az élő szövet specifikus sejtjein belül jól definiált események ellenőrzésére. Ez magában foglalja a fény reakciókészséget biztosító gének felfedezését és sejtekbe történő beillesztését," - írta a Scientific American. (2)
"Magában foglalja a kapcsolódó technológiákat is, amelyek fényt juttatnak olyan bonyolult organizmusokba, mint a szabadon mozgó emlősök, a fényérzékenységet megcélozzák a kérdéses sejtekben, és értékelik ennek az optikai vezérlésnek a specifikus kiolvasását vagy hatásait."
Először meg kell értenünk az idegsejteket
A neuronok az agy és az idegrendszer alapvető egységei. Ők azok a sejtek, amelyek felelősek azért, hogy érzékelő bemenetet kapjunk a körülöttünk lévő világból, motoros parancsokat küldjenek izmainknak, amikor úton vagyunk, és átalakítsák és továbbítsák az elektromos jeleket minden lépésnél. Ezek az agysejtek élő tárolókonténerek, "kapukkal," úgynevezett ioncsatornákkal.
Ezek az ajtónyílások elválasztják a sejteket belső környezetüktől, amelyek kívülről akadályként működnek. Ha egy idegsejt elég erős bemenetet kap, a sejtek kinyitják "ajtóikat," és elektromos áramot hoznak létre, amely elágazik a többi szomszédos neuronhoz, és információt közvetít. A neuronok így kommunikálnak, és ezek a hálózatok így hozzák létre az emlékeket, érzelmeket és viselkedést. Az optogenetika pedig eltéríti ezt a folyamatot.
Hogyan tudjuk irányítani ezeket az idegsejteket?
A kutatók nemcsak megvilágítják a sejteket és közben a legjobbakat remélik. Először is, az idegsejteket "át kell tervezni," hogy géntechnológia segítségével érzékenyek legyenek a fényre - ez egy folyamat, amelyben a tudósok megváltoztatják az élőlény genetikai kódjában szereplő információkat. Az optogenetika vonatkozásában a tudósok veszik a befolyásolni kívánt neuronok genetikai kódját, és új kóddarabot adnak hozzá.
Amikor ezt az új kódot hozzáadják az alany neuronjaihoz, speciális fehérjéket hoz létre, amelyeket opszinoknak neveznek. Az idegsejt módosítására használt opszintól függően megvilágításkor idegimpulzust továbbít. Ezzel a módszerrel teljes szerveket, testrészeket és viselkedést is lehet irányítani.
Az optogenetikában rejlő erő felszabadításának kulcsa a géntechnológia
Az opszinok természetesen fordulnak elő, először algákban fedezték fel, amelyek ezeket a fehérjéket használják arra, hogy a fény felé mozogjanak. Az opszinok génjeit általában a kutatólaboratóriumokban adják az egerekhez. Ennek során a tudósok vírusok segítségével gondosan beillesztik az opszin genetikai kódját az egér neuronjainak genetikai kódjába.
Ha ez megfelelően történik, akkor az egér minden neuronjában megtalálható az opszin. Mivel már széleskörű ismereteink vannak az egér genetikai kódjáról, kiválaszthatjuk, hova tegyük az opszint. Helyezhetjük kódunkat egy meghatározott típusú idegsejtbe vagy az agy egy bizonyos részébe. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy pontosan manipuláljuk, mely neuronokat akarjuk irányítani.
Az egyik legnépszerűbb opszin a zöld algákban található. A channelrhodopsin-2 vagy ChR2 névre keresztelt opszint a kék fény aktiválja, vagyis csak akkor működik, ha kék fény világít rá, és nem reagál más típusú fényekre. Ha hozzáadják a channelrhodopsin-2-t az idegsejtekhez, a kék fény kapcsolóként működik, bekapcsolva az idegsejteket. Mindezek után azonban még mindig csak félúton járunk.
Az optikai szálak jelentik a képlet másik felét
Most, hogy az opszinjaink teljes mértékben az agyunk vagy az egerünk agyának részét képezik, a kutatóknak optikai szálakat kell telepíteniük az opszinneuronjaink közelébe, hogy a fényingert helyesen juttassák célba.
Mint fent említettük, a fényfrekvenciával együtt használt opszinoktól függően bizonyos agyi régiókat lehet irányítani, ezáltal fényérzékeny telepatikus szuperképességeket kapunk, ha ilyen típusú dolgokkal foglalkozunk.
Az optogenetika kiforrottabb formája megnyithatja az ajtót egy erőteljes klinikai terápia előtt, amely felhasználható a neurológiai problémákkal küzdő emberek megsegítésére. Van azonban egy probléma.
Ahhoz, hogy ez valóban működjön a gyakorlatban, meg kell szabadulnunk az agyból kilógó vezetékektől. Ehhez műtétre lenne szükség. Senki sem akar kilógó vezetéket vagy eszközt az agyából. Az optogenetika következő fejlődési iránya a vezeték nélküliség lehet.
Egy nemrégiben készült tanulmány során a kutatók képesek voltak rávenni a neuronokat, hogy optikai szálak nélkül reagáljanak a fényre. A Stanford Egyetem csapata megtalálta a módot a koponya által diffundált fényre érzékeny biomérnöki neuronok létrehozására, amelyek még elődeinél is gyorsabb működést kínálnak. Mindazonáltal ez még mindig csak az első lépés a sok közül a vezeték nélküli agykontroll felé. (3)(4)
Az optogenetika mindent megváltoztathat
A tudósok a betegségek kezelésére vagy akár a tünetek enyhítésére is törekedhetnek az optogenetika segítségével. A pulzus szabálytalanságainak kijavítására a szívben szintén használható az optogenetika. Az optogenetika vitathatatlanul segíthet a motoros működés helyreállításában a paralízisben szenvedő betegeknél azáltal, hogy "fénykezeléseket" alkalmaz az izomösszehúzódások kiváltására.
"Kétségtelen, hogy az optogenetikát végül fel lehet használni az emberi test hibás szerveinek helyreállítására. És a génterápia lehetővé teszi számunkra, hogy ezt teljesen noninvazívan tegyük meg," - mondja Vitalij Sevcsenko, a MIPT Membránfehérjék Haladó Tanulmányainak Laboratóriuma. "Kívánt esetben akár testünket is 'frissíteni' lehetne úgy, hogy egyes részeit hatékonyabb komponensekkel cseréljük ki." (5)
Klinikai kezelésekkel segíthetnék a neurológiai degeneratív betegségek, sőt a mentális egészségi problémák kezelését. A lista azonban folytatódik. Mindazonáltal fontos megemlíteni, hogy mindehhez még hosszú utat kell megtennünk. Lenyűgöző ugrások történtek az optogenetika területén, de ne felejtsük el, hogy ennek alkalmazása már nem számít peremtudománynak. (6)
(1) - https://singularityhub.com/2020/10/13/scien
