Frontiers for Young Minds

Speciální buňky mozku a nervového systému, zvané neurony, spolupracují při vytváření všech našich myšlenek a chování. Abychom pochopili, jak mozek řídí chování, musíme porozumět tomu, jak spolu neurony komunikují. Lidský mozek je velmi složitý, ale mnoho vlastností lidského mozku je podobných vlastnostem jiných živočichů. To znamená, že neurovědci (vědci, kteří studují mozek a nervovou soustavu) mohou používat jednoduchá zvířata, aby zjistili nové věci o lidském mozku. Takto byla objevena komunikace mezi neurony.

Jak spolu neurony komunikují?

Neurony komunikují pomocí kombinace elektrické a chemické aktivity. První vědci na to přišli na základě pozorování a důmyslných experimentů. Koncem 17. století procházel italský vědec Luigi Galvani během bouřky s blesky tržištěm. Uviděl na prodej žabí stehýnka a všiml si, že sebou škubou. Vyslovil hypotézu, že bouřková elektřina aktivuje nervy v žabích stehnech. Rozhodl se tuto hypotézu ověřit ve své laboratoři. Galvani použil předmět, který umožňuje průchod elektrického proudu, tzv. elektrodu, aby do žabího nervu pustil elektrický proud. To způsobilo záškuby žabí nohy. Jednalo se o první studii elektrické stimulace v neurovědách. Na základě tohoto zjištění Galvani dospěl k závěru, že neurony mohou využívat elektrické signály k předávání informací. To je důležité vědět! Nyní, když víme, jak spolu neurony komunikují, můžeme začít mluvit jejich jazykem. Můžeme pomocí elektrických signálů zapnout některé neurony a sledovat, co se bude dít dál. Přesně to začali vědci dělat.

K mapování lidského mozku byla elektrická stimulace použita až ve 30. letech 20. století. Doktor Wilder Penfield, mozkový chirurg, pracoval s pacienty, kteří trpěli epilepsií. Epilepsie způsobuje abnormální elektrické signály v mozku a může být velmi nebezpečná. V extrémních případech je k zastavení epilepsie nutná operace mozku. Doktor Penfield chtěl zmapovat mozky svých pacientů, aby zjistil, které části mozku jsou nejdůležitější. To by mu pomohlo zjistit, které oblasti mozku by neměl operovat. K mapování mozku použil elektrickou stimulaci, stejně jako Galvani. Do motorických (pohybových) oblastí mozku zavedl malou elektrodu. Pak vyslal malý elektrický signál a pozoroval pohyby pacienta. Stimulace v jedné oblasti mozku způsobila záškuby prstů, zatímco stimulace v trochu jiné oblasti mozku způsobila záškuby nohou. To vedlo doktora Penfielda k poznání, že určité oblasti mozku ovládají velmi specifické oblasti těla. Dr. Penfield si všiml, že umístění motorických oblastí mozku bylo u všech jeho pacientů podobné. Vytvořil diagramy svých výsledků, které nám poskytly první funkční mapu motorických oblastí v lidském mozku . Funkční mapy doktora Penfielda, známé jako homunkulus, se používají dodnes.

Od 30. let 20. století se experimenty se stimulací mozku změnily. Studie elektrické stimulace mají některé nevýhody. Jedním z problémů je, že při zavádění elektrody může dojít k poškození mozku. Dalším problémem je, že elektrická stimulace aktivuje tkáň velmi obecně a neselektivně (obr. 1A). Je to jako používat buldozer, když stačí lopata – buldozer je sice účinný, ale není příliš přesný a opatrný. V roce 2005 byla vytvořena nová technika, která umožňuje přesnější stimulaci mozku. Tato technika se nazývá optogenetika.

Co je optogenetika?

Optogenetika je metoda řízení aktivity neuronu pomocí světla a genetického inženýrství. Genetické inženýrství je proces, při kterém vědci mění informace v genetickém kódu (plány) živé bytosti. Při optogenetických studiích vědci vezmou genetický kód neuronů, které chtějí studovat, a přidají k němu novou část kódu. Nový kód umožňuje těmto neuronům vytvářet speciální bílkoviny, tzv. opsiny, které reagují na světlo. Opsiny se vyskytují přirozeně a byly poprvé objeveny u řas, které tyto proteiny používají k tomu, aby se mohly pohybovat směrem ke světlu. Jak se ale opsin do neuronu dostane? To vyžaduje některé specializované laboratorní techniky. Podívejme se na myš jako na příklad. Aby se opsin dostal do myších neuronů, musí být genetický kód pro opsin pečlivě vložen do genetického kódu myších neuronů. Pokud se to provede správně, měl by nyní opsin obsahovat každý neuron v myši. Protože genetickému kódu myši hodně rozumíme, můžeme si vybrat, kam opsin vložíme. Kód můžeme vložit do určitého typu neuronu nebo do určitého místa v mozku. Můžeme si přesně vybrat, které neurony chceme ovládat.

V neurovědách je nejpopulárnější opsin zvaný channelrhodopsin-2 (ChR2). Tento opsin pochází ze zelené řasy Chlamydomonas reinhardtii . ChR2 je aktivován modrým světlem, což znamená, že funguje pouze tehdy, když na něj svítí modré světlo, a nereaguje na jiné typy světla. Když se ChR2 vloží do neuronů, znamená to, že neurony lze zapnout modrým světlem. Neurony s ChR2 budou zapnuté pouze po dobu, po kterou na ně bude svítit modré světlo . To nám umožňuje přesnou kontrolu nad načasováním aktivity neuronů. Normálně modré světlo na neurony nepůsobí (obrázek 1B), takže modré světlo bude působit pouze na neurony, které mají ChR2 (obrázek 1C).

Optogenetická stimulace je specifičtější než elektrická stimulace

Stejně jako je ve městě mnoho silnic, existuje v mozku mnoho cest. Pokud chceme vědět, jak se ve městě spojuje bod A s bodem B, můžeme se jednoduše podívat na všechny cesty a nakreslit mapu. Jedná se o typ strukturální mapy: pomáhá nám pochopit, jak jsou cesty uspořádány. Obvykle však existuje mnoho způsobů, jak se dostat z bodu A do bodu B, jak tedy zjistíme, která cesta je nejoblíbenější? Abychom to zjistili, musíme se podívat na auta, která jezdí po silnicích, když jedou z bodu A do bodu B. Jedná se o funkční mapu: pomáhá nám pochopit, jak jsou silnice využívány. V mozku jsou neurony jako silnice a signály, které putují od neuronu k neuronu, jsou jako auta. Za normálních okolností je mozek velmi aktivní a po silnicích jezdí neustále spousta aut. Po celé mapě mozku se auta rozjíždějí a zastavují na svých cestách v různých časech. Protože je zde tolik aktivity, nemůžeme vidět žádné zákonitosti ani pochopit, jak spolu věci souvisejí. Abychom na tyto zákonitosti přišli, bylo by užitečné mít možnost kontrolovat, kdy a kde auta začínají svou cestu.

Představte si, že na každé příjezdové cestě v našem městě stojí auta. Tato auta čekají na signál, aby mohla vyjet na silnice (obrázek 2A). Ve studii elektrické stimulace můžeme kontrolovat, kdy se auta vydají na cestu, ale nemáme velkou kontrolu nad tím, která auta vyjedou na silnice. U elektrické stimulace je stimulace obecná. Všechna auta v blízkosti stimulace budou vyslána na silnici. To znamená, že je třeba sledovat velkou aktivitu (obrázek 2B). Při studii s optogenetickou stimulací si můžeme přesně vybrat, která auta a kdy mají vyjet na silnici. Můžeme zvolit skupinu aut podle místa (například můžeme zvolit, aby na silnice vyjela všechna auta v jedné čtvrti), nebo můžeme zvolit typ auta (například můžeme zvolit, aby na silnice vyjela pouze nákladní auta) (obrázek 2C). Jedná se o selektivní stimulaci. Pohyb aut je v tomto případě mnohem snazší sledovat. Řekne nám to více o tom, jak se konkrétní auta na silnicích pohybují.

Jak se optogenetika používá k mapování mozku?

Optogenetiku lze pro mapování myšího mozku použít několika různými způsoby (přehled v Ref. ).

Stejně jako můžeme zvětšit mapu města, abychom viděli hlavní dálnice (obrázek 3A), nebo zvětšit mapu, abychom viděli jeden městský blok (obrázek 3B), můžeme také zvětšit nebo zmenšit mozek. Mozek můžeme oddálit, abychom viděli, jak jsou velké oblasti mozku propojeny a jak spolu pracují (obrázek 3C). Tento velký pohled je vhodný, pokud nás zajímá, jakým způsobem se informace v mozku šíří na velké vzdálenosti nebo které oblasti mozku jsou vzájemně propojeny. Například velká města mají tendenci mít více silnic a dálnic, které jimi procházejí, protože do nich a z nich cestuje hodně lidí. Pomocí optogenetiky, která stimuluje jednu oblast mozku a zaznamenává reakce v jiných oblastech mozku, můžeme zjistit, ve kterých oblastech mozku je největší provoz. To je důležité pro pochopení toho, jak vzniká určité chování, ale také to může být důležité pro pochopení toho, co se stane, pokud je mozek v určité oblasti poškozen (například pokud dojde k nehodě na čtvrté ulici, jak se přesměruje doprava?).

Můžeme si také přiblížit mozek a podívat se, jak jsou jednotlivé neurony propojeny (obrázek 3D). Pomocí optogenetiky můžeme zkoumat, jak neurony spolupracují, a to tak, že pomocí světla zapneme některé neurony a zaznamenáme reakci ostatních neuronů. Tento detailní pohled je užitečný pro pochopení toho, jak a kdy spolu neurony komunikují. To by mohlo být velmi užitečné při zkoumání nemocí, které narušují komunikaci mezi neurony v určité oblasti, což se stává, když někdo prodělá mrtvici (více se o tom dočtete v další části).

Optogenetické mapování vytváří mnoho možností pro zkoumání fungování mozku. Jak se optogenetické techniky zdokonalují a jsou vytvářeny nebo objevovány další opsiny, existuje možnost ještě větší kontroly při studiu stimulace mozku. Možná budeme moci používat více opsinů k ovládání několika různých typů neuronů najednou. Protože každý opsin reaguje na určitý typ světla, mohli bychom používat různé světlo k ovládání různých typů neuronů. Některé opsiny totiž působí tak, že vypínají neurony, když je přítomen správný typ světla.

V našem příkladu mapování aut ve městě bychom mohli použít více signálů k ovládání pohybu aut. Mohli bychom nechat jednu skupinu aut vyjet na silnici, když dáme jeden signál (například modré světlo), a druhou skupinu aut vyjet na silnici, když dáme jiný signál (například červené světlo). Pomocí tohoto uspořádání bychom mohli začít experimentovat s těmito dvěma sadami aut: co se stane, když auta na červenou vyjedou jako první? Co se stane, když první vyjedou auta s modrým světlem? Co se stane, když pojedou současně? To by nám pomohlo pochopit, jak na sebe tyto různé sady aut vzájemně působí.

Jak si tedy vědec vybere, kterou techniku nebo který opsin použije? Odpověď bude záviset na otázce, kterou chce vědec zkoumat. V následující části upozorníme na některé otázky, které byly zkoumány pomocí optogenetiky.

Nejnovější objevy využívající optogenetiku

Mozkoví vědci začali používat optogenetiku v roce 2005 . Od té doby se optogenetické metody používají ke studiu mozku z mnoha různých hledisek – od komunikace shluku jednotlivých neuronů až po interakce mezi velkými oblastmi mozku (přehled v Ref. ). Mnoho dalších studií použilo optogenetické metody ke zkoumání různých témat a otázek. Mezi nejnovější otázky patří: Kde se v mozku nachází strach? Jak se počítá riziko a odměna? Jak se ukládají vzpomínky? (přehled v Ref. ). My jsme použili optogenetiku u myší ke zkoumání toho, jak se mění mozek po mrtvici . K mrtvici dochází, když je přerušeno nebo omezeno prokrvení určité oblasti mozku. To je nebezpečné, protože přívod krve přenáší kyslík a další důležité živiny, které mozek potřebuje k přežití. Pokud některá oblast mozku zůstane příliš dlouho bez kyslíku, neurony v této oblasti nakonec odumřou. To způsobí problémy pro danou oblast mozku a pro všechny ostatní oblasti mozku, které jsou s ní propojeny. V naší studii jsme chtěli zjistit, jak malá mozková příhoda v jedné oblasti mozku ovlivní mnoho dalších oblastí mozku. Pro začátek jsme použili ChR2, který nám pomohl nakreslit funkční mapu myšího mozku. Mapy jsme porovnávali mezi zvířaty s mrtvicí a bez mrtvice. Zjistili jsme, že mapy se v průběhu času mění. Jeden týden po mrtvici byla celková mozková aktivita velmi nízká. Překvapivě byla aktivita nízká i v oblasti vzdálené od mrtvice. Za 8 týdnů po mrtvici byla celková mozková aktivita vyšší, ale nevrátila se k normálu. Z těchto údajů jsme usoudili, že i malá mrtvice může mít velký vliv na fungování mozku jako celku. Pochopení toho, co se děje s mozkem po mrtvici, by mohlo vědcům pomoci vytvořit lepší léčbu pro pacienty po mrtvici. Toto je jen jeden příklad toho, jak užitečná může být optogenetika pro zkoumání otázek týkajících se mozku. Je pravděpodobné, že vědci zabývající se výzkumem mozku budou optogenetiku využívat ještě mnoho let.

Glosář

Neurony: Speciální buňky v mozku spolu komunikují vysíláním a přijímáním elektrických a chemických signálů. V mozku jsou miliardy neuronů a signály vysílané mezi těmito buňkami jsou základem všech našich myšlenek a chování. Neuronům se někdy říká nervové buňky.

Studie elektrické stimulace: Technika aktivace neuronů nebo nervových drah zavedením malé elektrody a vysláním elektrického proudu do tkáně. To způsobuje změny v elektrické aktivitě tkáně.

Neuroscience: Neurální stimulace:

Optogenetika: Vědní obor, který studuje mozek a nervový systém:

Genetické inženýrství: Technika, která využívá kombinaci světla a genetického inženýrství k ovládání aktivity buňky.

Genetické inženýrství: Proces změny informace v genetickém kódu (plánu) živé bytosti přidáním nebo odstraněním informace. Genetické inženýrství se někdy nazývá genetická modifikace.

Opsiny: Bílkoviny, které reagují na určitý typ světla (například ChR2 reaguje pouze na modré světlo). V neurovědách se tyto proteiny používají k řízení aktivity neuronů.

Channelrhod-Opsin-2 (ChR2): Opsin, který reaguje specificky na modré světlo. Když je ChR2 vložen do neuronů, lze modré světlo použít k zapnutí těchto neuronů. ChR2 je v současnosti nejoblíbenějším opsinem pro optogenetické studie.

Mrtvice: Za normálních okolností přivádí krev do mozku kyslík a další důležité živiny. Když je přívod krve narušen nebo snížen, mozek nedostává věci, které potřebuje ke správnému fungování. Tomu se říká mrtvice a může to způsobit trvalé problémy a poruchy funkce.

Prohlášení o střetu zájmů

Autoři prohlašují, že výzkum byl prováděn bez jakýchkoli komerčních nebo finančních vztahů, které by mohly být chápány jako potenciální střet zájmů.

Původní zdroj článku

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., Vanni, M. P., and Murphy, T. H. 2013. Optogenetické přístupy pro funkční mapování mozku myší. Front. Neurosci. 7:54. doi:10.3389/fnins.2013.00054

Kolb, B., Whishaw, I. Q., and Teskey, G. C. 2016. Úvod do problematiky mozku a chování. Vydání páté. New York, NY: Worth.

Penfield, W., and Edwin, B. 1937. Somatická motorická a senzorická reprezentace v mozkové kůře člověka studovaná pomocí elektrické stimulace. Brain 60(4):389-443. doi:10.1093/brain/60.4.389

Nagel, G., Szellas, T., Huhn, W., Kateriya, S., Adeishvili, N., Berthold, P., et al. 2003. Channelrhodopsin-2, přímo světlem řízený kationtový selektivní membránový kanál. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100:13940-5. doi:10.1073/pnas.1936192100

Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., and Deisseroth, K. 2005. Geneticky cílené optické řízení nervové aktivity v milisekundovém měřítku. Nat. Neurosci. 8:1263-8. doi:10.1038/nn1525

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., Vanni, M. P., and Murphy, T. H. 2013. Optogenetické přístupy pro funkční mapování mozku myší. Front. Neurosci. 7:54. doi:10.3389/fnins.2013.00054

Deisseroth, K. 2015. Optogenetika: 10 let mikrobiálních opsinů v neurovědách. Nat. Neurosci. 18(9):1213-25. doi:10.1038/nn.4091

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., and Murphy, T. H. 2014. Optogenetické mapování po cévní mozkové příhodě odhaluje škálování funkčních spojení v celé síti a heterogenní zotavení peri-infarktu. J. Neurosci. 34(49):16455–66. doi:10.1523/JNEUROSCI.3384-14.2014