Unele mari descoperiri științifice nu sunt de fapt descoperite. Sunt împrumutate. Așa s-a întâmplat când oamenii de știință au primit proteine de la un creditor puțin probabil: algele verzi.
Celulele speciilor de alge Chlamydomonas reinhardtii sunt decorate cu proteine care pot simți lumina. Această capacitate, observată pentru prima dată în 2002, a atras rapid atenția oamenilor de știință din creier. O proteină sensibilă a luminii a promis puterea de a controla neuronii – celulele nervoase ale creierului – oferind o modalitate de a le porni și dezactiva, exact în locul și momentul potrivit.
Celulele nervoase modificate genetic pentru a produce proteinele algelor devin marionete controlate de lumină. Un fulger de lumină ar putea induce un neuron liniștit să declanșeze semnale sau să forțeze un neuron activ să tacă.
„Această moleculă este senzorul de lumină de care aveam nevoie”, spune specialistul în neuroștiință Zhuo-Hua Pan, care căuta o modalitate de a controla celulele vizuale din retinele șoarecilor.
Metoda activată de aceste proteine de împrumut se numește acum optogenetică, pentru combinația sa de lumină (opto) și gene. În mai puțin de două decenii, optogenetica a condus la descoperiri importante asupra modului în care sunt stocate amintirile, ce creează percepții și ce merge prost în creier în timpul depresiei și dependenței.
Pentru a sărbători următoarea noastră aniversare a 100 de ani, lansăm o serie care evidențiază unele dintre cele mai mari progrese ale științei din ultimul secol. Pentru mai multe despre trecutul, prezentul și viitorul neuroștiinței, vizitați Century of Science: Creierele noastre, viitorul nostru.
Folosind lumina pentru a stimula activitatea anumitor celule nervoase, oamenii de știință s-au jucat cu halucinațiile șoarecilor: șoarecii au văzut linii care nu există și și-au amintit o cameră în care nu fuseseră niciodată înăuntru. Oamenii de știință au folosit optogenetica pentru a-i face pe șoareci să se lupte, să se împerecheze și să mănânce și chiar să le ofere șoarecilor orbi vederea. Într-o premieră importantă, optogenetica a restaurat recent aspecte ale vederii unui orb.
Un indiciu timpuriu asupra potențialului optogeneticii a venit în jurul orei 1 dimineața, pe 4 august 2004. Omul de știință Ed Boyden se afla într-un laborator la Stanford, verificând un platou de neuroni care poseda o genă pentru unul dintre senzorii de lumină algălui, numită channelrhodopsin-2. . Boyden avea de gând să lumineze cu lumină albastră pe celule și să vadă dacă au tras semnale. Spre uimirea lui, prima celulă pe care a verificat-o a răspuns la lumină cu o explozie de acțiune, a scris Boyden într-un cont din 2011. Posibilitățile generate de acea mică scânteie de activitate, descrisă într-un raport tehnic din 2005 de Boyden, Karl Deisseroth de la Universitatea Stanford și colegii săi, au devenit rapid realitate.
În laboratorul lui Pan, proteinele sensibile la lumină au restabilit vederea la șoarecii cu retine afectate, o descoperire care a condus acum la un studiu clinic pe oameni. Promisiunea optogeneticii nu era o dată în acele timpuri de început, deoarece oamenii de știință au învățat mai întâi cum să folosească aceste proteine în neuroni. „La acel moment, nimeni nu anticipa că această lucrare optogenetică va avea un impact atât de mare”, spune Pan.
De la acele descoperiri timpurii, senzorii de lumină ai algelor au fost adoptați pentru a fi utilizați în numeroase arene de cercetare a creierului. Omul de știință Talia Lerner de la Universitatea Northwestern din Chicago, de exemplu, folosește optogenetica pentru a studia conexiunile dintre celulele din creierul șoarecelui. Metoda îi permite să distrugă relațiile dintre celulele care produc și răspund la dopamină, un mesager chimic implicat în mișcare și recompensă. Acele legături celulare, iluminate de optogenetică, ar putea ajuta la dezvăluirea detaliilor despre motivație și învățare. „Cercetarea mea chiar nu ar fi posibilă în forma sa actuală fără optogenetică”, spune ea.
Optogenetica este, de asemenea, indispensabilă pentru Jeanne Paz de la Gladstone Institutes din San Francisco. Ea și colegii ei au căutat celulele care pot împiedica răspândirea crizelor în creier. Oferându-i o modalitate de a controla grupuri distincte de neuroni, optogenetica este crucială pentru căutarea ei. „Nu am putut pune aceste întrebări cu niciun alt instrument”, spune Paz.
Căutarea ei asistată de optogenetică a condus-o pe Paz la o structură a creierului numită talamus, o stație de drum pentru multe rețele neuronale din creier. „Îmi amintesc pielea de găină pe care am experimentat-o prima dată când am strălucit lumina în talamus și a oprit criza”, spune ea.
Până acum, cercetările în optogenetică au avut loc mai ales la șoareci. Dar perspectivele despre creierele mai complexe, inclusiv cele ale primatelor, ar putea fi găsite în curând, spune Yasmine El-Shamayleh de la Universitatea Columbia. În 2009, Boyden și colegii au descris optogenetica la un macac. El-Shamayleh și alții împing această linie de cercetare, cu greu. „Suntem cu siguranță pe punctul de a dezvălui câteva principii fascinante ale creierului primatelor, cum ar fi modul în care creierul transformă semnalele de la ochi în percepții”, spune ea.
Optogenetica a evoluat rapid. Oamenii de știință au conceput și optimizat noi senzori de lumină și noi modalități de a le combina cu alte tehnici. Un motiv important pentru inovația pe scară largă de astăzi, spune Lerner, a fost spiritul timpuriu de partajare de către pionierii optogeneticii. La Stanford, Deisseroth a organizat în mod regulat ateliere pentru a instrui alți oameni de știință cu privire la tehnică. „În unele privințe, asta este la fel de important ca și inventarea lui”, spune Lerner.
Așa că merită să luați un minut pentru a-i aprecia pe cei care partajează inițiali. Indiferent de ce se va întâmpla în acest domeniu în mișcare rapidă, un lucru este sigur: oamenii de știință ai creierului vor fi pentru totdeauna în datoria algelor.