Frontiers for Young Minds

Az agy és az idegrendszer speciális sejtjei, az úgynevezett neuronok együtt dolgoznak, hogy létrehozzák minden gondolatunkat és viselkedésünket. Ahhoz, hogy megértsük, hogyan irányítja az agy a viselkedést, meg kell értenünk, hogyan kommunikálnak a neuronok. Az emberi agy nagyon összetett, de az emberi agy számos tulajdonsága hasonló más állatokéhoz. Ez azt jelenti, hogy az idegtudósok (az agyat és az idegrendszert tanulmányozó tudósok) egyszerű állatok segítségével új dolgokat fedezhetnek fel az emberi agyról. Így fedezték fel a neuronok közötti kommunikációt.

Hogyan kommunikálnak egymással a neuronok?

A neuronok elektromos és kémiai aktivitás kombinációjával kommunikálnak egymással. A korai tudósok ezt megfigyelések és okos kísérletek révén fedezték fel. Az 1700-as évek végén egy Luigi Galvani nevű olasz tudós villámlás közben egy piacon sétált. Meglátott néhány eladó békacombot, és észrevette, hogy azok rángatóznak. Feltételezte, hogy a vihar elektromossága aktiválta a békacombok idegeit. Elhatározta, hogy laboratóriumában teszteli ezt a hipotézist. Galvani egy elektromos áramot átengedő tárgyat, úgynevezett elektródát használt, hogy elektromos áramot vezessen át a békaidegre. Ez a békacombot rángásra késztette. Ez volt az első elektromos stimulációs vizsgálat az idegtudományban. Ebből a felfedezésből Galvani arra a következtetésre jutott, hogy az idegsejtek képesek elektromos jeleket használni az információ továbbítására. Ezt fontos tudni! Most, hogy tudjuk, hogyan beszélnek egymással a neuronok, elkezdhetjük beszélni a nyelvüket. Elektromos jelekkel bekapcsolhatunk néhány neuront, és megnézhetjük, mi történik ezután. A tudósok pontosan ezt kezdték el tenni.

Csak az 1930-as években kezdték el használni az elektromos stimulációt az emberi agy feltérképezésére. Dr. Wilder Penfield agysebész epilepsziás betegekkel dolgozott. Az epilepszia rendellenes elektromos jeleket okoz az agyban, és nagyon veszélyes lehet. Szélsőséges esetekben agyműtétre van szükség az epilepszia leállításához. Dr. Penfield fel akarta térképezni betegei agyát, hogy kiderítse, mely agyrészek a legfontosabbak. Ez segítene neki abban, hogy tudja, mely agyterületeket nem szabad megműteni. Az agy feltérképezéséhez elektromos ingerlést alkalmazott, akárcsak Galvani. Egy kis elektródát engedett le az agy motoros (mozgási) területeibe. Ezután egy kis elektromos jelet küldött, és megfigyelte a beteg mozgását. Az agy egyik területének ingerlése ujjrándulást, míg az agy egy kicsit más területének ingerlése lábrándulást okozott. Ez vezette Dr. Penfieldet arra a felismerésre, hogy az agy bizonyos területei a test nagyon specifikus területeit irányítják. Dr. Penfield észrevette, hogy az agy motoros területeinek elhelyezkedése minden betegénél hasonló volt. Eredményeiről diagramokat készített, amelyek alapján elkészült az emberi agy motoros területeinek első funkcionális térképe. Dr. Penfield homunculus néven ismert funkcionális térképeit ma is használják.

Az 1930-as évek óta az agyi stimulációs kísérletek megváltoztak. Az elektromos stimulációs vizsgálatoknak van néhány hátránya. Az egyik probléma az, hogy az agy megsérülhet az elektróda behelyezésekor. A másik probléma az, hogy az elektromos ingerlés nagyon általános, nem szelektív módon aktiválja a szöveteket (1A. ábra). Olyan, mintha buldózert használnánk, amikor egy lapát is megteszi – a buldózer hatékony, de nem túl precíz vagy óvatos. 2005-ben egy új technikát hoztak létre, amely pontosabb agyi stimulációt tesz lehetővé. Ezt a technikát optogenetikának nevezik.

Mi az optogenetika?

Az optogenetika az idegsejtek aktivitásának fény és géntechnológia segítségével történő szabályozására szolgáló módszer. A géntechnológia egy olyan folyamat, amelynek során a tudósok megváltoztatják az élőlények genetikai kódjában (a tervrajzokban) lévő információkat. Az optogenetikai vizsgálatok során a tudósok a vizsgálni kívánt neuronok genetikai kódját egy új kódrészlettel egészítik ki. Az új kód lehetővé teszi, hogy ezek a neuronok speciális fehérjéket, úgynevezett opszinokat állítsanak elő, amelyek reagálnak a fényre. Az opsinok a természetben is előfordulnak, és először az algákban fedezték fel őket, amelyek ezeket a fehérjéket arra használják, hogy a fény felé mozogjanak. De hogyan kerül az opsin az idegsejtekbe? Ehhez néhány speciális laboratóriumi technikára van szükség. Nézzük példaként az egeret. Ahhoz, hogy az opsin bekerüljön az egér neuronjaiba, az opsin genetikai kódját gondosan be kell illeszteni az egér neuronjainak genetikai kódjába. Ha ezt helyesen végeztük el, akkor az egér minden neuronjában ott kell lennie az opsinnak. Mivel sokat tudunk az egér genetikai kódjáról, meg tudjuk választani, hogy hova helyezzük be az opsint. Beilleszthetjük a kódot egy adott típusú neuronba, vagy az agy egy adott helyére. Pontosan kiválaszthatjuk, hogy mely neuronokat akarjuk irányítani.

A neurotudományban a legnépszerűbb opsin a channelrhodopsin-2 (ChR2). Ez az opsin a Chlamydomonas reinhardtii zöld algából származik. A ChR2-t a kék fény aktiválja, ami azt jelenti, hogy csak akkor működik, ha kék fény éri, és más típusú fényre nem reagál. Ha a ChR2-t neuronokba helyezik, az azt jelenti, hogy a neuronok kék fénnyel bekapcsolhatók. A ChR2-vel ellátott neuronok csak addig lesznek bekapcsolva, amíg kék fény világít rájuk. Ezáltal pontosan szabályozhatjuk a neuronok aktivitásának időzítését. Normális esetben a neuronokra nem hat a kék fény (1B ábra), így csak a ChR2-vel rendelkező neuronokra hat a kék fény (1C ábra).

Az optogenetikai stimuláció specifikusabb, mint az elektromos stimuláció

Amint ahogy egy városban sok út van, úgy az agyban is sok útvonal van. Ha tudni akarjuk, hogyan kapcsolódik A pont B ponthoz egy városban, egyszerűen megnézhetjük az összes utat, és rajzolhatunk egy úttérképet. Ez egyfajta szerkezeti térkép: segít megérteni, hogyan épülnek fel az utak. De általában sokféleképpen lehet eljutni A pontból B pontba, így honnan tudjuk, hogy melyik út a legnépszerűbb? Hogy ezt kiderítsük, meg kell néznünk az utakon közlekedő autókat, amint A pontból B pontba mennek. Ez egy funkcionális térkép: segít megérteni, hogyan használják az utakat. Az agyban a neuronok olyanok, mint az utak, és a neuronról neuronra szálló jelek olyanok, mint az autók. Normális esetben az agy nagyon aktív, és az utakon mindig sok autó közlekedik. Az egész agyi térképen az autók különböző időpontokban indítják és állítják meg útjukat. Mivel olyan sok az aktivitás, nem látunk semmilyen mintát, és nem értjük, hogy a dolgok hogyan kapcsolódnak egymáshoz. A minták kiderítéséhez hasznos lenne, ha irányítani tudnánk, hogy az autók mikor és hol indulnak útnak.

Képzeljük el, hogy városunkban minden felhajtónkban vannak autók. Ezek az autók jelre várnak, hogy elindulhassanak az utakra (2A ábra). Egy elektromos stimulációs vizsgálatban szabályozhatjuk, hogy az autók mikor induljanak útnak, de azt nem nagyon tudjuk befolyásolni, hogy mely autók induljanak ki az utakra. Az elektromos stimulációval az ingerlés általános. Az ingerléshez közeli összes autót az útra küldjük. Ez azt jelenti, hogy sok aktivitást kell követni (2B ábra). Az optogenetikai stimulációs vizsgálatban pontosan kiválaszthatjuk, hogy mely autók menjenek ki az útra és mikor. Kiválaszthatjuk az autók egy csoportját hely szerint (például választhatjuk, hogy egy környék összes autója kimenjen az utakra), vagy választhatunk autótípus szerint (például választhatjuk, hogy csak teherautók menjenek ki az utakra) (2C ábra). Ez a szelektív ösztönzés. Az autók mozgását ebben az esetben sokkal könnyebb követni. Többet tudunk meg arról, hogy az egyes autók hogyan közlekednek az utakon.”

Hogyan használják az optogenetikát az agy feltérképezésére?

Az optogenetika többféle módon használható az egéragy feltérképezésére (áttekintve a Ref. ).

Mint ahogyan egy várostérképen kicsinyíthetjük a térképet, hogy lássuk a főbb autópályákat (3A. ábra), vagy nagyíthatjuk a térképet, hogy egyetlen háztömböt lássunk (3B. ábra), úgy az agyat is nagyíthatjuk vagy kicsinyíthetjük. Kicsinyíthetünk az agyból, hogy lássuk, hogyan kapcsolódnak és működnek együtt az agy nagy területei (3C. ábra). Ez a nagy ívű nézet akkor jó, ha érdekel bennünket, hogyan terjed az információ nagy távolságokon keresztül az agyban, vagy hogy az agy mely területei kapcsolódnak egymáshoz. Például a nagyvárosokon általában több út és autópálya halad keresztül, mert sok ember utazik ezekbe a városokba és ezekből a városokból. Ha optogenetikával stimulálunk egy agyterületet, és rögzítjük a többi agyterület válaszait, akkor kideríthetjük, hogy az agy mely területein van a legnagyobb forgalom. Ez fontos annak megértéséhez, hogyan jönnek létre bizonyos viselkedések, de fontos lehet annak megértéséhez is, hogy mi történik, ha az agy egy adott területen károsodik (például ha a negyedik utcán baleset történik, hogyan fog átirányulni a forgalom?).

Az agyat is ráközelíthetjük, hogy megnézzük, hogyan kapcsolódnak az egyes neuronok (3D ábra). Az optogenetika segítségével megvizsgálhatjuk, hogyan működnek együtt az idegsejtek, ha fény segítségével bekapcsolunk néhány idegsejtet, és rögzítjük a többi idegsejt válaszát. Ez a részletes nézet hasznos annak megértéséhez, hogy a neuronok hogyan és mikor kommunikálnak egymással. Ez nagyon hasznos lehet olyan betegségek vizsgálatában, amelyek megzavarják a neuronok közötti kommunikációt egy adott területen, ami akkor történik, ha valakinek agyvérzése van (erről bővebben a következő részben olvashat).

Az optogenetikai térképezés számos lehetőséget teremt az agy működésének vizsgálatára. Ahogy az optogenetikai technikák fejlődnek, és egyre több opsint hoznak létre vagy fedeznek fel, úgy nyílik lehetőség még nagyobb kontrollra az agyi stimulációs vizsgálatokban. Talán képesek leszünk több opszint használni, hogy egyszerre több különböző típusú neuront irányítsunk. Mivel minden egyes opsin egy bizonyos típusú fényre reagál, különböző fényt használhatnánk a különböző típusú neuronok vezérlésére. Valójában egyes opsinok úgy hatnak, hogy kikapcsolják a neuronokat, ha a megfelelő típusú fény van jelen.

A városi autók feltérképezésével kapcsolatos példánkban több jelet is használhatnánk az autók mozgásának irányítására. Az autók egy csoportja kimehetne az útra, amikor egy jelzést adunk (mondjuk kék fényt), és az autók egy másik csoportja kimehetne az útra, amikor egy másik jelzést adunk (mondjuk piros fényt). Ezt a felállást használva elkezdhetnénk kísérletezni ezzel a két autócsoporttal: mi történik, ha a piros lámpás autók mennek ki először? Mi történik, ha a kék lámpás autók mennek először? Mi történik, ha egyszerre mennek? Ez segítene megérteni, hogyan hatnak egymásra ezek a különböző autócsoportok.

Hogyan választja ki tehát egy tudós, hogy melyik technikát vagy melyik opsint használja? A válasz attól függ, hogy a tudós milyen kérdést akar feltárni. A következő részben néhány olyan kérdést emelünk ki, amelyeket az optogenetika segítségével vizsgáltak.

Az optogenetikát alkalmazó legújabb felfedezések

Az agykutatók 2005-ben kezdték el használni az optogenetikát . Azóta az optogenetikai módszereket az agy sokféle szempontból történő tanulmányozására használták – az egyes neuronok egy csoportjának kommunikációjától a nagy agyi régiók közötti kölcsönhatásokig (áttekintve a Ref. ). Számos más tanulmányban is használtak optogenetikai módszereket különböző témák és kérdések vizsgálatára. Néhány közelmúltbeli kérdés: hol van a félelem az agyban? Hogyan történik a kockázat és a jutalom kiszámítása? Hogyan tárolódnak az emlékek? (áttekintve a hivatkozásban). Egereken optogenetikát alkalmaztunk annak vizsgálatára, hogyan változik az agy stroke után . A stroke akkor következik be, amikor az agy egy területének vérellátása megszakad vagy csökken. Ez azért veszélyes, mert a vérellátás oxigént és más fontos tápanyagokat szállít, amelyekre az agynak szüksége van a túléléshez. Ha az agy bármely területe túl sokáig marad oxigén nélkül, az ott lévő idegsejtek végül elhalnak. Ez problémákat okoz az adott agyterületnek és a hozzá kapcsolódó más agyterületeknek. Tanulmányunkban azt akartuk megvizsgálni, hogy az agy egy területét ért kis stroke hogyan hat az agy számos más területére. Kezdetben a ChR2 segítségével megrajzoltuk az egér agyának funkcionális térképét. Összehasonlítottuk a térképeket a stroke-ot kapott és a stroke nélküli állatok között. Azt találtuk, hogy a térképek idővel megváltoztak. A stroke után 1 héttel az általános agyi aktivitás nagyon alacsony volt. Meglepő módon az aktivitás még a stroke-tól távol eső területen is alacsony volt. A stroke után 8 héttel az általános agyi aktivitás magasabb volt, de nem érte el a normális szintet. Ezekből az adatokból arra következtettünk, hogy még egy kis stroke is nagy hatással lehet az agy egészének működésére. Annak megértése, hogy mi történik az agyban a stroke után, segíthet a tudósoknak jobb kezeléseket létrehozni a stroke-betegek számára. Ez csak egy példa arra, hogy az optogenetika mennyire hasznos lehet az agyra vonatkozó kérdések vizsgálatában. Valószínű, hogy az agykutatók még hosszú évekig fogják használni az optogenetikát.

Glosszárium

Neuronok: Az agyban található speciális sejtek, amelyek elektromos és kémiai jelek küldésével és fogadásával kommunikálnak egymással. Az agyban több milliárd neuron található, és az e sejtek között küldött jelek képezik az alapját minden gondolatunknak és viselkedésünknek. A neuronokat néha idegsejteknek is nevezik.

Elektromos stimulációs vizsgálat: A neuronok vagy idegpályák aktiválásának technikája egy kis elektróda behelyezésével és elektromos áramnak a szövetbe történő küldésével. Ez változásokat okoz a szövet elektromos aktivitásában.

Neurotudomány: Az agy és az idegrendszer tanulmányozásával foglalkozó tudományág.

Optogenetika: Olyan technika, amely a fény és a géntechnológia kombinációját használja a sejtek aktivitásának szabályozására.

Géntechnológia: Az élőlények genetikai kódjában (a tervrajzokban) lévő információ megváltoztatásának folyamata információk hozzáadásával vagy törlésével. A géntechnológiát néha genetikai módosításnak is nevezik.

Opszinok: Olyan fehérjék, amelyek egy bizonyos típusú fényre reagálnak (például a ChR2 csak a kék fényre reagál). Az idegtudományban ezeket a fehérjéket a neuronok aktivitásának szabályozására használják.

Channelrhod-Opsin-2 (ChR2): Kifejezetten kék fényre reagáló opsin. Ha a ChR2-t beillesztik a neuronokba, a kék fény segítségével bekapcsolhatók ezek a neuronok. A ChR2 jelenleg az optogenetikai vizsgálatok legnépszerűbb opsinja.

Stroke: Normális esetben a vér oxigént és más fontos tápanyagokat szállít az agyba. Ha a vérellátás megszakad vagy csökken, az agy nem kapja meg azokat a dolgokat, amelyekre a megfelelő működéshez szüksége van. Ezt nevezzük stroke-nak, és ez tartós problémákat és működési zavarokat okozhat.

Kérdések összeférhetetlenségi nyilatkozata

A szerzők kijelentik, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezték, amelyek potenciális összeférhetetlenségként értelmezhetők.

Original Source Article

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., Vanni, M. P., and Murphy, T. H. 2013. Optogenetikai megközelítések funkcionális egér agytérképezéshez. Front. Neurosci. 7:54. doi:10.3389/fnins.2013.00054

Kolb, B., Whishaw, I. Q., and Teskey, G. C. 2016. Bevezetés az agyba és a viselkedésbe. 5th ed. New York, NY: Worth.

Penfield, W., and Edwin, B. 1937. Szomatikus motoros és szenzoros reprezentáció az ember agykéregben elektromos ingerléssel tanulmányozva. 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, egy direkt fénykapus kationszelektív membráncsatorna. 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. Az idegi aktivitás milliszekundumos időskálájú, genetikailag célzott optikai vezérlése. 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. Optogenetikai megközelítések funkcionális egér agytérképezéshez. Front. Neurosci. 7:54. doi:10.3389/fnins.2013.00054

Deisseroth, K. 2015. Optogenetika: A mikrobiális opszinok 10 éve az idegtudományban. Nat. Neurosci. 18(9):1213-25. doi:10.1038/nn.4091

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., and Murphy, T. H. 2014. A stroke utáni optogenetikai térképezés a funkcionális kapcsolatok hálózati szintű skálázódását és a peri-infarktus heterogén helyreállítását mutatja. J. Neurosci. 34(49):16455–66. doi:10.1523/JNEUROSCI.3384-14.2014