علم پشت فناوری برنده نوبل که نورون ها را با نور کنترل می کند

به گفته پر سونینگسون، رئیس کمیته نوبل پزشکی، "اپتوژنتیک فرصت هایی را برای نقشه برداری مغز به شیوه ای فراهم می کند که زمانی فقط می توانستیم رویای آن را داشته باشیم." هیچ تکنیک دیگری اجازه چنین مطالعه دقیقی از یک مغز زنده را نمی دهد و به محققان کمک می کند تا عملکرد سیستم عصبی ما و همچنین بیماری ها و اختلالات عصبی مختلف را درک کنند. اما این جایزه فقط جشن عصب شناسی نیست.

همچنین به عنوان یک مثال پیروزمندانه از آنچه می تواند اتفاق بیفتد هنگام همگرایی رشته های مختلف زیست شناسی عمل می کند، زیرا یافته هایی که به عنوان پایه ای برای توسعه اپتوژنتیک از تحقیقات در میکروبیولوژی ظاهر شدند. در پایان قرن گذشته، پیتر هگمان مجموعه ای از مطالعات را برای درک اینکه چگونه جلبک تک سلولی کلامیدوموناس قادر به تشخیص و واکنش به نور است، آغاز کرد.

تحقیقات قبلی نشان داد که کلامیدوموناس دارای یک "لکه چشم" است، یک نقطه نارنجی کوچک روی سطح آن که حاوی یک مولکول حساس به نور به نام شبکیه است. هگمن از الکترودهای کوچک برای اندازه گیری سیگنال های الکتریکی تولید شده توسط جلبک و گسترش درک ما از واکنش سریع این ساختار استفاده کرد. این دانشمند کشف کرد که این موجود زنده قادر به تولید یک تکانه الکتریکی در حدود 0.5 میلی ثانیه پس از دریافت نور است.

این زمان پاسخ 20 برابر سریعتر از چشم انسان است که فرآیند تشخیص نور آن حداقل 10 میلی ثانیه طول می کشد. هگمن پیشنهاد کرد که تشخیص نور در جلبک باید نتیجه فرآیند بسیار ساده‌تر از آنچه در چشم انسان شناسایی شده باشد. در اوایل دهه 1990، او پیشنهاد کرد که لکه‌های چشم حاوی پروتئینی هستند که هم نور را تشخیص می‌دهد و هم به آن پاسخ می‌دهد و احتمالا به عنوان کانالی برای عبور یون‌ها باز می‌شود. در آن زمان، این فرضیه جنجال برانگیخت.

بسیاری از کانال‌های یونی تا آن زمان ثبت شده بودند، اما هیچ‌کدام به تنهایی قادر به پاسخگویی به نور نبودند. برای آزمایش نظریه خود، دانشمند تلاش کرد تا پروتئین های حساس به نور را از لکه چشم جدا کند. با این حال، هنگامی که از محیط طبیعی خود حذف شدند، این پروتئین ها ناپایدار شدند. بعدا، گروهی از محققان ژاپنی DNA کامل کلامیدوموناس را توالی‌یابی کردند که به تیم هگمن اجازه داد دو ژن را شناسایی کنند که پروتئین‌هایی با ویژگی‌های مورد انتظار یک کانال حساس به نور ایجاد می‌کنند. گئورگ ناگل قدم بعدی را برای تأیید عملکرد ژن ها برداشت.

او نسخه هایی از هر یک از ژن های شناسایی شده را به طور جداگانه در گروه های مختلف تخم قورباغه معرفی کرد. تخم‌ها شروع به تولید پروتئین‌های مربوطه کردند که در نهایت به غشای سلولی تبدیل شدند. ناگل سپس چراغ ها را روشن کرد. هر دو پروتئین به عنوان کانال‌های یونی عمل می‌کردند که هنگام قرار گرفتن در معرض نور باز می‌شدند. او نام ژن های channelrhodopsin-1 و channelrhodopsin-2 را گذاشت. آزمایشات بیشتر نشان داد که پروتئین تولید شده توسط این ژن دوم - که به اختصار ChR2 نامیده می شود - به سرعت باز می شود و جریان یون ها تنها در 0.2 میلی ثانیه اتفاق می افتد.

این سرعت خارق‌العاده واکنش نور را که در ابتدا در کلامیدوموناس مشاهده شد، توضیح داد. هنگامی که محققان این ژن را به سلول‌های پستانداران وارد کردند - که معمولا به نور پاسخ نمی‌دهند - سلول‌ها هنگام روشن شدن یک سیگنال الکتریکی تولید کردند. این چیزی است که دانشمندان علوم اعصاب را به ویژه هیجان زده کرد. کانال‌های یونی در بسیاری از انواع سلول‌ها مهم هستند، اما برخی از آن‌ها به ویژه در سیستم‌های عصبی ما کارهای سنگین را انجام می‌دهند.

تکانه‌های الکتریکی که نورون‌ها برای برقراری ارتباط با یکدیگر و همچنین سایر بافت‌های بدن ما استفاده می‌کنند، توسط جریان یون‌ها به داخل و خارج سلول انجام می‌شوند. اگر بتوانید کانال های یونی را کنترل کنید، می توانید نورون را نیز کنترل کنید. این جایی است که کارل دیسروت وارد می شود. دیسروث در جستجوی روشی بود که به او اجازه دهد تا فعالیت سلول های عصبی خاص را در یک مغز زنده تغییر دهد.

به نظر او، این ابزار می تواند درک ما را از عملکردهای مغز گسترش دهد و راه های جدیدی را برای درمان بیماری هایی مانند افسردگی و اسکیزوفرنی باز کند. پس از کشف ChR2، او از Nagel توالی DNA را خواست تا بتواند آن را به سلول های عصبی موش وارد کند. نورون‌ها که در ظروف رشد می‌کردند، ChR2 را تولید کردند و وقتی با نور آبی روشن شدند، بلافاصله واکنش نشان دادند - یک تکانه الکتریکی ارسال کردند که به نورون‌های دیگر منتشر شد.

این نتیجه که در سال 2005 به دست آمد، در ایجاد ChR2 به عنوان ابزاری برای علوم اعصاب تعیین کننده بود. در سال‌های بعد، Deisseroth، Hegemann و Nagel برای شناسایی پروتئین‌های دیگری که قادر به فعال یا غیرفعال کردن نورون‌ها با استفاده از طول موج‌های مختلف نور بودند، همکاری کردند. با استفاده از این جعبه ابزار، محققان اکنون می توانند آزمایش هایی را طراحی کنند که در آن یک گروه از نورون ها با یک طول موج نور روشن می شوند و مجموعه دیگری از نورون ها با طول موج متفاوتی کنترل می شوند. اصطلاح اپتوژنتیک در سال 2006 ابداع شد و از آن زمان تاکنون در مطالعات مختلفی به کار گرفته شده است.

مجمع نوبل در مؤسسه کارولینسکا در بیانیه‌ای اعلام کرد: "با استفاده از اپتوژنتیک، محققان توانسته‌اند مدارهای عصبی حاکم بر خاطرات، احساسات و رفتارهای مرتبط با اختلالات عصبی و روان‌پزشکی را آشکار کنند. در پزشکی بالینی، محققان از این روش برای بازگرداندن بینایی در افراد دارای نقص بینایی استفاده می‌کنند." این داستان در اصل در WIRED en Español ظاهر شد و از اسپانیایی ترجمه شده است.