Frontiers for Young Minds

Aivojen ja hermoston erityiset solut, joita kutsutaan neuroneiksi, toimivat yhdessä tuottaakseen kaikki ajatuksemme ja käyttäytymisemme. Jotta voisimme ymmärtää, miten aivot ohjaavat käyttäytymistä, meidän on ymmärrettävä, miten neuronit kommunikoivat. Ihmisen aivot ovat hyvin monimutkaiset, mutta monet ihmisen aivojen ominaisuuksista ovat samanlaisia kuin muilla eläimillä. Tämä tarkoittaa, että neurotieteilijät (aivoja ja hermostoa tutkivat tiedemiehet) voivat käyttää yksinkertaisia eläimiä löytääkseen uusia asioita ihmisen aivoista. Näin löydettiin neuronien välinen viestintä.

Miten neuronit kommunikoivat keskenään?

Neuronit kommunikoivat käyttämällä sähköisen ja kemiallisen toiminnan yhdistelmää. Varhaiset tutkijat havaitsivat tämän havaintojen ja taitavien kokeiden avulla. 1700-luvun lopulla italialainen tiedemies nimeltä Luigi Galvani käveli torilla salamamyrskyn aikana. Hän näki myytävänä sammakonreisiä ja huomasi, että ne nykivät. Hän esitti hypoteesin, että myrskyn aiheuttama sähkö aktivoi sammakonjalkojen hermoja. Hän päätti testata tätä hypoteesia laboratoriossaan. Galvani käytti sähkövirran kulun sallivaa esinettä, jota kutsutaan elektrodiksi, johtaakseen sähkövirtaa sammakon hermoon. Tämä sai sammakonjalan nykimään. Tämä oli ensimmäinen sähköstimulaatiotutkimus neurotieteissä. Tämän havainnon perusteella Galvani päätteli, että neuronit voivat käyttää sähköisiä signaaleja tiedon välittämiseen. Tämä on tärkeää tietää! Nyt kun tiedämme, miten neuronit keskustelevat keskenään, voimme alkaa puhua niiden kieltä. Voimme käyttää sähköisiä signaaleja joidenkin neuronien käynnistämiseen ja katsoa, mitä seuraavaksi tapahtuu. Juuri tätä tutkijat alkoivat tehdä.

Vasta 1930-luvulla käytettiin sähköistä stimulaatiota ihmisen aivojen kartoittamiseen. Tohtori Wilder Penfield, aivokirurgi, työskenteli epilepsiapotilaiden kanssa. Epilepsia aiheuttaa aivoissa epänormaaleja sähköisiä signaaleja ja voi olla hyvin vaarallinen. Äärimmäisissä tapauksissa tarvitaan aivoleikkausta epilepsian pysäyttämiseksi. Tohtori Penfield halusi kartoittaa potilaidensa aivot selvittääkseen, mitkä aivojen osat olivat tärkeimpiä. Tämä auttaisi häntä tietämään, mitä aivoalueita hänen ei pitäisi leikata. Aivojen kartoittamiseksi hän käytti sähköistä stimulaatiota, aivan kuten Galvani oli tehnyt. Hän laski pienen elektrodin aivojen motorisiin (liike)alueisiin. Sitten hän lähetti pienen sähköisen signaalin ja tarkkaili potilaan liikkeitä. Stimulaatio yhdellä aivoalueella aiheutti sormen nykimisen, kun taas stimulaatio hieman eri aivoalueella aiheutti jalan nykimisen. Tämä sai tohtori Penfieldin ymmärtämään, että tietyt aivojen alueet ohjaavat hyvin tiettyjä kehon alueita. Tohtori Penfield huomasi, että aivojen motoristen alueiden sijainti oli samanlainen kaikilla hänen potilaillaan. Hän laati tuloksistaan kaaviot, joiden avulla saimme ensimmäisen toiminnallisen kartan ihmisen aivojen motorisista alueista. Tohtori Penfieldin funktionaalisia karttoja, jotka tunnetaan nimellä homunculus, käytetään vielä nykyäänkin.

1930-luvun jälkeen aivostimulaatiokokeet ovat muuttuneet. Sähköstimulaatiotutkimuksissa on joitakin haittoja. Yksi ongelma on, että aivot saattavat vahingoittua, kun elektrodi asetetaan paikalleen. Toinen ongelma on se, että sähköinen stimulaatio aktivoi kudosta hyvin yleisellä, ei-selektiivisellä tavalla (kuva 1A). Se on kuin käyttäisi puskutraktoria, kun lapio riittää – puskutraktori on tehokas, mutta se ei ole kovin tarkka tai varovainen. Vuonna 2005 luotiin uusi tekniikka, joka mahdollistaa tarkemman aivostimulaation. Tätä tekniikkaa kutsutaan optogenetiikaksi.

Mitä on optogenetiikka?

Optogenetiikka on menetelmä, jolla voidaan ohjata neuronin toimintaa valon ja geenitekniikan avulla. Geenitekniikka on prosessi, jossa tutkijat muuttavat elävän olennon geneettisen koodin (rakennuspiirustusten) tietoja. Optogeneettisissä tutkimuksissa tutkijat ottavat tutkittavien neuronien geneettisen koodin ja lisäävät siihen uuden koodin. Uuden koodin ansiosta nämä neuronit voivat valmistaa erityisiä valoon reagoivia proteiineja, opsineja. Opsineja esiintyy luonnossa, ja ne löydettiin ensimmäisenä levistä, jotka käyttävät näitä proteiineja auttaakseen niitä liikkumaan kohti valoa. Mutta miten opsiini pääsee neuroniin? Tämä edellyttää joitakin erikoislaboratoriotekniikoita. Tarkastellaan esimerkkinä hiirtä. Jotta opsiini saataisiin hiiren neuroneihin, opsiinin geneettinen koodi on lisättävä huolellisesti hiiren neuronien geneettiseen koodiin. Jos tämä tehdään oikein, hiiren jokaisella hermosolulla pitäisi olla opsiini. Koska ymmärrämme paljon hiiren geneettisestä koodista, voimme valita, mihin opsiini laitetaan. Voimme lisätä koodin tietyntyyppiseen neuroniin tai tiettyyn paikkaan aivoissa. Voimme valita tarkalleen, mitä neuroneja haluamme kontrolloida.

Neurotieteessä suosituin opsiini on nimeltään channelrhodopsin-2 (ChR2). Tämä opsiini on peräisin vihreästä levästä Chlamydomonas reinhardtii . ChR2 aktivoituu sinisellä valolla, mikä tarkoittaa, että se toimii vain, kun sinistä valoa paistaa siihen, eikä se reagoi muunlaiseen valoon. Kun ChR2 liitetään neuroneihin, se tarkoittaa, että neuronit voidaan käynnistää sinisellä valolla. ChR2:lla varustetut neuronit ovat päällä vain niin kauan kuin sinistä valoa paistaa niihin. Tämä antaa meille tarkan kontrollin neuronien aktiivisuuden ajoituksesta. Normaalisti sininen valo ei vaikuta neuroneihin (kuva 1B), joten sininen valo vaikuttaa vain niihin neuroneihin, joissa on ChR2 (kuva 1C).

Optogeneettinen stimulaatio on spesifisempää kuin sähköinen stimulaatio

Niin kuin kaupungissa on monta tietä, aivoissa on monta reittiä. Jos haluamme tietää, miten piste A yhdistyy pisteeseen B kaupungissa, voimme yksinkertaisesti tarkastella kaikkia teitä ja piirtää tiekartan. Tämä on eräänlainen rakennekartta: se auttaa meitä ymmärtämään, miten tiet ovat rakentuneet. Mutta yleensä pisteestä A pisteeseen B pääsee monella eri tavalla, joten mistä tiedämme, mikä tie on suosituin? Tämän selvittämiseksi meidän on tarkasteltava teillä ajavia autoja, kun ne kulkevat pisteestä A pisteeseen B. Tämä on toiminnallinen kartta: se auttaa meitä ymmärtämään, miten teitä käytetään. Aivoissa neuronit ovat kuin tiet, ja neuronista toiseen kulkevat signaalit ovat kuin autot. Normaalisti aivot ovat hyvin aktiiviset, ja teillä on koko ajan paljon autoja. Kaikkialla aivojen kartalla autot aloittavat ja lopettavat matkansa eri aikoina. Koska toimintaa on niin paljon, emme näe mitään kuvioita tai ymmärrä, miten asiat liittyvät toisiinsa. Kuvioiden selvittämiseksi olisi hyödyllistä pystyä kontrolloimaan sitä, milloin ja missä autot aloittavat matkansa.

Kuvitellaan, että kaupunkimme jokaisessa pihatiessä on autoja. Nämä autot odottavat merkkiä lähteäkseen liikenteeseen (kuva 2A). Sähköstimulaatiotutkimuksessa voimme kontrolloida sitä, milloin autot lähtevät liikkeelle, mutta emme voi juurikaan kontrolloida sitä, mitkä autot lähtevät liikkeelle. Sähköstimulaatiossa stimulaatio on yleistä. Kaikki stimulaation lähellä olevat autot lähetetään tielle. Tämä tarkoittaa, että seurattavaa toimintaa on paljon (kuva 2B). Optogeneettisessä stimulaatiotutkimuksessa voimme valita tarkalleen, mitkä autot lähtevät tielle ja milloin. Voimme valita autoryhmän sijainnin mukaan (esimerkiksi voimme valita, että kaikki yhden naapuruston autot lähtevät liikkeelle), tai voimme valita autotyypin mukaan (esimerkiksi voimme valita, että vain kuorma-autot lähtevät liikkeelle) (kuva 2C). Tämä on valikoivaa stimulointia. Autojen liikkumista on tässä tapauksessa paljon helpompi seurata. Se kertoo meille enemmän siitä, miten tietyt autot toimivat teillä.

Miten optogeneettistä stimulaatiota käytetään aivojen kartoittamiseen?

Optogeneettistä stimulaatiota voidaan käyttää useilla eri tavoilla hiiren aivojen kartoittamiseen (katsaus Ref. ).

Aivan kuten voimme pienentää kaupungin tiekarttaa nähdäksemme tärkeimmät valtatiet (kuva 3A) tai suurentaa karttaa nähdäksemme yksittäisen korttelin (kuva 3B), voimme myös suurentaa tai pienentää aivoja. Voimme zoomata aivoista ulospäin nähdäksemme, miten aivojen suuret alueet liittyvät toisiinsa ja toimivat yhdessä (kuva 3C). Tämä ison kuvan näkymä on hyvä, jos olemme kiinnostuneita siitä, miten tieto kulkee aivoissa pitkiä matkoja tai mitkä aivojen alueet ovat yhteydessä toisiinsa. Esimerkiksi suurissa kaupungeissa on yleensä enemmän teitä ja moottoriteitä, jotka kulkevat niiden läpi, koska monet ihmiset matkustavat näihin kaupunkeihin ja niistä pois. Käyttämällä optogenetiikkaa yhden aivoalueen stimuloimiseksi ja muiden aivoalueiden reaktioiden tallentamiseksi voimme selvittää, millä aivoalueilla on eniten liikennettä. Tämä on tärkeää sen ymmärtämiseksi, miten tietyt käyttäytymismallit syntyvät, mutta se voi olla tärkeää myös sen ymmärtämiseksi, mitä tapahtuu, jos aivot vaurioituvat tietyllä alueella (jos esimerkiksi neljännellä kadulla tapahtuu onnettomuus, miten liikenne ohjautuu uudelleen?).

Voidaan myös zoomata aivoja ja katsoa, miten yksittäiset neuronit liittyvät toisiinsa (kuva 3D). Optogenetiikan avulla voimme tutkia, miten neuronit toimivat yhdessä, käyttämällä valoa joidenkin neuronien kytkemiseen päälle ja tallentamalla muiden neuronien vasteen. Tämä yksityiskohtainen näkymä on hyödyllinen sen ymmärtämiseksi, miten ja milloin neuronit kommunikoivat keskenään. Tämä voisi olla erittäin hyödyllistä tutkittaessa sairauksia, jotka häiritsevät hermosolujen välistä viestintää tietyllä alueella, kuten tapahtuu aivohalvauksen yhteydessä (lue lisää tästä seuraavasta kappaleesta).

Optogeneettinen kartoitus luo monia mahdollisuuksia tutkia aivojen toimintaa. Kun optogeneettiset tekniikat paranevat ja lisää opsineja luodaan tai löydetään, aivojen stimulaatiotutkimuksiin on mahdollista saada vielä enemmän kontrollia. Ehkä pystymme käyttämään useita opsineja useiden erityyppisten neuronien hallintaan samanaikaisesti. Koska jokainen opsini reagoi tietyntyyppiseen valoon, voisimme käyttää erilaista valoa erityyppisten neuronien ohjaamiseen. Itse asiassa jotkin opsiinit toimivat niin, että ne kytkevät neuronit pois päältä, kun läsnä on oikeanlaista valoa.

Esimerkissämme autojen kartoittamisesta kaupungissa voisimme käyttää useita signaaleja autojen liikkumisen ohjaamiseen. Yksi joukko autoja voisi lähteä liikkeelle, kun annamme yhden signaalin (vaikkapa sinisen valon), ja toinen joukko autoja voisi lähteä liikkeelle, kun annamme toisen signaalin (vaikkapa punaisen valon). Tämän asetelman avulla voisimme aloittaa kokeilun näillä kahdella autojoukolla: mitä tapahtuu, jos punaisen valon autot menevät ensin? Mitä tapahtuu, jos sinisen valon autot menevät ensin? Mitä tapahtuu, jos ne menevät samaan aikaan? Tämä auttaisi meitä ymmärtämään, miten nämä eri autosarjat ovat vuorovaikutuksessa keskenään.

Miten tutkija siis valitsee, mitä tekniikkaa tai mitä opsiinia käyttää? Vastaus riippuu kysymyksestä, jota tutkija haluaa tutkia. Seuraavassa osiossa tuodaan esiin joitakin kysymyksiä, joita on tutkittu optogenetiikan avulla.

Uudemmat löydöt optogenetiikan avulla

Aivotutkijat alkoivat käyttää optogenetiikkaa vuonna 2005 . Sen jälkeen optogeneettisiä menetelmiä on käytetty aivojen tutkimiseen monista eri näkökulmista – yksittäisten neuroniryhmien viestinnästä suurten aivoalueiden väliseen vuorovaikutukseen (katsaus Ref. ). Monissa muissa tutkimuksissa on käytetty optogeneettisiä menetelmiä erilaisten aiheiden ja kysymysten tutkimiseen. Joitakin viimeaikaisia kysymyksiä ovat: Missä pelko on aivoissa? Miten riski ja palkkio lasketaan? Miten muistoja tallennetaan? (tarkasteltu viitteessä ). Käytimme optogenetiikkaa hiirillä tutkiaksemme, miten aivot muuttuvat aivohalvauksen jälkeen. Aivohalvaus tapahtuu, kun aivojen jonkin alueen verenkierto katkeaa tai vähenee. Tämä on vaarallista, koska verenkierto kuljettaa happea ja muita tärkeitä ravintoaineita, joita aivot tarvitsevat selviytyäkseen. Jos jokin aivojen alue on liian kauan ilman happea, kyseisen alueen neuronit kuolevat lopulta. Tämä aiheuttaa ongelmia kyseiselle aivoalueelle ja muille siihen yhteydessä oleville aivoalueille. Tutkimuksessamme halusimme selvittää, miten yhteen aivojen alueeseen kohdistunut pieni aivohalvaus vaikuttaa moniin muihin aivojen alueisiin. Aluksi käytimme ChR2:ta apuna hiiren aivojen toiminnallisen kartan piirtämisessä. Vertasimme karttoja aivohalvauksen saaneiden ja ilman aivohalvausta olevien eläinten välillä. Huomasimme, että kartat muuttuivat ajan myötä. Kun aivohalvauksesta oli kulunut 1 viikko, aivojen yleinen aktiivisuus oli hyvin vähäistä. Yllättäen aktiivisuus oli vähäistä jopa alueella, joka oli kaukana aivohalvauksesta. Kahdeksan viikkoa aivohalvauksen jälkeen aivojen kokonaisaktiivisuus oli korkeampi, mutta ei palautunut normaaliksi. Näistä tiedoista päättelimme, että pienelläkin aivohalvauksella voi olla suuri vaikutus siihen, miten aivot toimivat kokonaisuutena. Sen ymmärtäminen, mitä aivoille tapahtuu aivohalvauksen jälkeen, voi auttaa tutkijoita luomaan parempia hoitoja aivohalvauspotilaille. Tämä on vain yksi esimerkki siitä, miten hyödyllinen optogenetiikka voi olla aivoja koskevien kysymysten tutkimisessa. On todennäköistä, että aivotutkijat käyttävät optogenetiikkaa vielä vuosien ajan.

Sanasto

Neuronit: Aivojen erityissolut, jotka kommunikoivat keskenään lähettämällä ja vastaanottamalla sähköisiä ja kemiallisia signaaleja. Aivoissa on miljardeja neuroneja, ja näiden solujen välillä lähetetyt signaalit ovat kaikkien ajatustemme ja käyttäytymisemme perusta. Neuroneja kutsutaan joskus hermosoluiksi.

Sähköstimulaatiotutkimus: Tekniikka, jolla aktivoidaan neuroneja tai hermoratoja asettamalla pieni elektrodi ja lähettämällä sähkövirta kudokseen. Tämä aiheuttaa muutoksia kudoksen sähköisessä aktiivisuudessa.

Neurotiede: Aivoja ja hermostoa tutkiva tieteenhaara.

Optogenetiikka: Tekniikka, jossa käytetään valon ja geenitekniikan yhdistelmää solun toiminnan ohjaamiseen.

Genetic Engineering: Prosessi, jossa muutetaan elävän olennon geneettisen koodin informaatiota (rakennuspiirustuksia) lisäämällä tai poistamalla informaatiota. Geenitekniikkaa kutsutaan joskus geenimuunteluksi.

Opsiinit: Proteiinit, jotka reagoivat tietyntyyppiseen valoon (esimerkiksi ChR2 reagoi vain siniseen valoon). Neurotieteessä näitä proteiineja käytetään hermosolujen toiminnan ohjaamiseen.

Kanava-opsiini-2 (ChR2): Opsiini, joka reagoi erityisesti siniseen valoon. Kun ChR2 asetetaan neuroneihin, sinistä valoa voidaan käyttää näiden neuronien käynnistämiseen. ChR2 on tällä hetkellä suosituin opsiini optogeneettisissä tutkimuksissa.

Aivohalvaus: Normaalisti veri kuljettaa happea ja muita tärkeitä ravintoaineita aivoihin. Kun verenkierto häiriintyy tai vähenee, aivot eivät saa niitä asioita, joita ne tarvitsevat toimiakseen kunnolla. Tätä kutsutaan aivohalvaukseksi, ja tämä voi aiheuttaa pysyviä ongelmia ja toimintahäiriöitä.

Eriintyneiden eturistiriitoja koskeva lausunto

Tekijät ilmoittavat, että tutkimus suoritettiin ilman mitään kaupallisia tai taloudellisia suhteita, jotka voitaisiin tulkita mahdolliseksi eturistiriidaksi.

Original Source Article

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., Vanni, M. P., and Murphy, T. H. 2013. Optogeneettiset lähestymistavat hiiren aivojen toiminnalliseen kartoitukseen. Front. Neurosci. 7:54. doi:10.3389/fnins.2013.00054

Kolb, B., Whishaw, I. Q. ja Teskey, G. C. 2016. Johdatus aivoihin ja käyttäytymiseen. 5th ed. New York, NY: Worth.

Penfield, W., and Edwin, B. 1937. Somaattinen motorinen ja sensorinen edustus ihmisen aivokuorella sähköstimulaatiolla tutkittuna. 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, suoraan valo-ohjattu kationiselektiivinen kalvokanava. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100:13940-5. doi:10.1073/pnas.1936192100

Boyden, E. S., Zhang, F., Zhang, Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., and Deisseroth, K. 2005. Tuhannesosasekunnin aika-asteikolla geneettisesti kohdennettu hermotoiminnan optinen ohjaus. 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. Optogeneettiset lähestymistavat hiiren aivojen toiminnalliseen kartoitukseen. Front. Neurosci. 7:54. doi:10.3389/fnins.2013.00054

Deisseroth, K. 2015. Optogenetiikka: 10 years of microbial opsins in neuroscience. Nat. Neurosci. 18(9):1213-25. doi:10.1038/nn.4091

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., and Murphy, T. H. 2014. Optogeneettinen kartoitus aivohalvauksen jälkeen paljastaa toiminnallisten yhteyksien verkon laajuisen skaalautumisen ja peri-infarktin heterogeenisen elpymisen. J. Neurosci. 34(49):16455–66. doi:10.1523/JNEUROSCI.3384-14.2014