Frontiers for Young Minds

Celulele speciale din creier și sistemul nervos, numite neuroni, lucrează împreună pentru a produce toate gândurile și comportamentele noastre. Pentru a înțelege modul în care creierul controlează comportamentul, trebuie să înțelegem cum comunică neuronii. Creierul uman este foarte complex, dar multe dintre proprietățile creierului uman sunt similare cu cele ale altor animale. Acest lucru înseamnă că neuroștiințele (oamenii de știință care studiază creierul și sistemul nervos) pot folosi animale simple pentru a descoperi lucruri noi despre creierul uman. Acesta a fost modul în care a fost descoperită comunicarea între neuroni.

Cum comunică neuronii între ei?

Neuronii comunică folosind o combinație de activitate electrică și chimică. Primii oameni de știință au descoperit acest lucru prin observații și experimente ingenioase. La sfârșitul anilor 1700, un om de știință italian pe nume Luigi Galvani se plimba printr-o piață în timpul unei furtuni cu fulgere. El a văzut niște picioare de broască de vânzare și a observat că acestea tremurau. El a emis ipoteza că electricitatea din timpul furtunii activa nervii din picioarele de broască. A decis să testeze această ipoteză în laboratorul său. Galvani a folosit un obiect care permite trecerea curentului electric, numit electrod, pentru a transmite un curent electric către nervul broaștei. Acest lucru a provocat contracții ale piciorului broaștei. Acesta a fost primul studiu de stimulare electrică în neuroștiință. În urma acestei descoperiri, Galvani a concluzionat că neuronii pot folosi semnale electrice pentru a transmite informații. Acest lucru este important de știut! Acum că știm cum vorbesc neuronii între ei, putem începe să vorbim limba lor. Putem folosi semnale electrice pentru a porni unii neuroni și a vedea ce se întâmplă în continuare. Acesta este exact ceea ce au început să facă oamenii de știință.

Nu până în anii 1930 a fost folosită stimularea electrică pentru a cartografia creierul uman. Dr. Wilder Penfield, un neurochirurg, lucra cu pacienți care sufereau de epilepsie. Epilepsia provoacă semnale electrice anormale în creier și poate fi foarte periculoasă. În cazuri extreme, este necesară o operație pe creier pentru a opri epilepsia. Dr. Penfield a vrut să cartografieze creierul pacienților săi pentru a afla care părți ale creierului sunt cele mai importante. Acest lucru l-ar fi ajutat să știe ce zone ale creierului nu ar trebui să opereze. Pentru a cartografia creierul, a folosit stimularea electrică, la fel ca și Galvani. El a coborât un mic electrod în zonele motorii (de mișcare) ale creierului. Apoi, a trimis un mic semnal electric și a observat mișcările pacientului. Stimularea într-o zonă a creierului a provocat o contracție a degetului, în timp ce stimularea într-o zonă ușor diferită a creierului a provocat o contracție a piciorului. Acest lucru l-a determinat pe Dr. Penfield să realizeze că anumite zone ale creierului controlează zone foarte specifice ale corpului. Dr. Penfield a observat că localizarea zonelor motorii ale creierului era similară la toți pacienții săi. El a creat diagrame ale rezultatelor sale, care ne-au oferit prima hartă funcțională a zonelor motorii din creierul uman . Hărțile funcționale ale Dr. Penfield, cunoscute sub numele de homunculus, sunt folosite și astăzi.

Din anii 1930, experimentele de stimulare a creierului s-au schimbat. Studiile de stimulare electrică au unele dezavantaje. Una dintre probleme este că creierul ar putea fi afectat atunci când este introdus un electrod. O altă problemă este că stimularea electrică activează țesutul într-un mod foarte general, neselectiv (figura 1A). Este ca și cum ai folosi un buldoexcavator când o lopată ar fi suficientă – buldoexcavatorul este eficient, dar nu este foarte precis sau atent. În 2005, a fost creată o nouă tehnică pentru a permite o stimulare mai precisă a creierului. Această tehnică se numește optogenetică.

Ce este optogenetica?

Optogenetica este o metodă de control al activității unui neuron cu ajutorul luminii și al ingineriei genetice. Ingineria genetică este un proces prin care oamenii de știință modifică informațiile din codul genetic (planurile) unei ființe vii. În studiile optogenetice, oamenii de știință iau codul genetic al neuronilor pe care doresc să îi studieze și îi adaugă o nouă bucată de cod. Noul cod permite acestor neuroni să producă proteine speciale, numite opsine, care răspund la lumină. Opsinele apar în mod natural și au fost descoperite pentru prima dată în alge, care folosesc aceste proteine pentru a le ajuta să se deplaseze spre lumină. Dar cum ajunge opsina în neuron? Acest lucru necesită câteva tehnici de laborator specializate. Să ne uităm la un șoarece ca exemplu. Pentru ca opsina să ajungă în neuronii unui șoarece, codul genetic pentru opsină trebuie să fie inserat cu grijă în codul genetic al neuronilor din șoarece. Dacă acest lucru este făcut corect, acum fiecare neuron din șoarece ar trebui să aibă opsina. Deoarece înțelegem multe despre codul genetic al șoricelului, putem alege unde să introducem opsina. Putem insera codul într-un anumit tip de neuron sau într-o anumită locație din creier. Putem alege exact ce neuroni dorim să controlăm.

În neuroștiințe, cea mai populară opsină se numește channelrhodopsin-2 (ChR2). Această opsină provine din alga verde Chlamydomonas reinhardtii . ChR2 este activată de lumina albastră, ceea ce înseamnă că funcționează numai atunci când lumina albastră o luminează și nu răspunde la alte tipuri de lumină. Atunci când ChR2 este introdus în neuroni, înseamnă că neuronii pot fi activați cu ajutorul luminii albastre. Neuronii cu ChR2 vor fi activi doar atâta timp cât lumina albastră strălucește asupra lor. Acest lucru ne oferă un control precis asupra timpului de activitate a neuronilor. În mod normal, neuronii nu sunt afectați de lumina albastră (Figura 1B), astfel încât numai neuronii care au ChR2 vor fi afectați de lumina albastră (Figura 1C).

Stimularea optogenetică este mai specifică decât stimularea electrică

La fel cum există multe drumuri într-un oraș, există multe căi în creier. Dacă vrem să știm cum se leagă punctul A de punctul B într-un oraș, putem pur și simplu să ne uităm la toate drumurile și să desenăm o hartă rutieră. Aceasta este un tip de hartă structurală: ne ajută să înțelegem cum sunt configurate drumurile. Dar, de obicei, există mai multe moduri de a ajunge de la Punctul A la Punctul B, deci cum putem ști care este cel mai popular drum? Pentru a afla acest lucru, trebuie să ne uităm la mașinile care circulă pe drumuri în timp ce merg din punctul A în punctul B. Aceasta este o hartă funcțională: ne ajută să înțelegem cum sunt folosite drumurile. În creier, neuronii sunt ca drumurile, iar semnalele care circulă de la un neuron la altul sunt ca mașinile. În mod normal, creierul este foarte activ și există o mulțime de mașini pe drumuri în orice moment. Pe toată harta creierului, mașinile își încep și își opresc călătoriile în momente diferite. Din cauza faptului că există atât de multă activitate, nu putem vedea niciun tipar sau nu putem înțelege cum sunt legate lucrurile. Pentru a ne da seama de tipare, ar fi util să putem controla când și unde își încep mașinile călătoria.

Imaginați-vă că există mașini în fiecare alee din orașul nostru. Aceste mașini așteaptă un semnal pentru a ieși pe drumuri (figura 2A). Într-un studiu de stimulare electrică, putem controla momentul în care mașinile încep să călătorească, dar nu avem prea mult control asupra mașinilor care vor ieși pe drumuri. În cazul stimulării electrice, stimularea este generală. Toate mașinile aflate în apropierea stimulării vor fi trimise pe șosea. Acest lucru înseamnă că există o mulțime de activitate de urmărit (Figura 2B). În cadrul unui studiu de stimulare optogenetică, putem alege exact ce mașini dorim să iasă pe șosea și când. Putem alege un grup de mașini în funcție de locație (de exemplu, am putea alege ca toate mașinile dintr-un cartier să iasă pe șosea) sau putem alege în funcție de tipul de mașină (de exemplu, am putea alege ca doar camioanele să iasă pe șosea) (Figura 2C). Aceasta este stimularea selectivă. Mișcarea mașinilor este mult mai ușor de urmărit în acest caz. Ne spune mai multe despre modul în care anumite mașini funcționează pe drumuri.

Cum se utilizează optogenetica pentru cartografierea creierului?

Optogenetica poate fi utilizată în mai multe moduri diferite pentru cartografierea creierului de șoarece (analizat în Ref. ).

La fel cum putem face zoom out pe harta rutieră a unui oraș pentru a vedea autostrăzile principale (Figura 3A), sau zoom in pe hartă pentru a vedea un singur bloc al orașului (Figura 3B), putem, de asemenea, să facem zoom in sau zoom out pe creier. Putem face zoom out din creier pentru a vedea cum zone mari ale creierului se conectează și funcționează împreună (Figura 3C). Această vedere de ansamblu este bună dacă ne interesează modul în care informațiile călătoresc pe distanțe lungi în creier sau ce zone ale creierului sunt conectate între ele. De exemplu, orașele mari tind să aibă mai multe drumuri și autostrăzi care trec prin ele, deoarece o mulțime de oameni călătoresc spre și dinspre aceste orașe. Folosind optogenetica pentru a stimula o zonă a creierului și a înregistra răspunsurile din alte zone ale creierului, ne putem da seama ce zone ale creierului au cel mai mult trafic. Acest lucru este important pentru a înțelege cum se produc anumite comportamente, dar ar putea fi important și pentru a înțelege ce se întâmplă dacă creierul este afectat într-o anumită zonă (de exemplu, dacă are loc un accident pe strada a patra, cum se va redirecționa traficul?).

De asemenea, putem face zoom pe creier pentru a vedea cum se conectează neuronii individuali (Figura 3D). Cu ajutorul optogeneticii, putem investiga modul în care neuronii lucrează împreună, folosind lumina pentru a activa unii neuroni și a înregistra răspunsul celorlalți neuroni. Această vedere detaliată este utilă pentru a înțelege cum și când neuronii comunică între ei. Acest lucru ar putea fi foarte util pentru investigarea bolilor care întrerup comunicarea dintre neuronii dintr-o anumită zonă, ceea ce se întâmplă atunci când cineva suferă un accident vascular cerebral (citiți mai multe despre acest lucru în secțiunea următoare).

Cartografierea optogenetică creează multe posibilități de investigare a modului în care funcționează creierul. Pe măsură ce tehnicile optogenetice se îmbunătățesc și sunt create sau descoperite mai multe opsine, există posibilitatea unui control și mai mare în studiile de stimulare a creierului. Poate că vom fi capabili să folosim mai multe opsine pentru a controla mai multe tipuri diferite de neuroni în același timp. Deoarece fiecare opsină răspunde la un anumit tip de lumină, am putea folosi lumini diferite pentru a controla diferite tipuri de neuroni. De fapt, unele opsine acționează pentru a opri neuronii atunci când este prezent tipul potrivit de lumină.

În exemplul nostru de cartografiere a mașinilor în oraș, am putea folosi mai multe semnale pentru a controla mișcarea mașinilor. Am putea face ca un set de mașini să iasă pe șosea atunci când dăm un semnal (de exemplu, lumina albastră) și un alt set de mașini să iasă pe șosea atunci când dăm un semnal diferit (de exemplu, o lumină roșie). Utilizând această configurație, am putea începe să experimentăm cu aceste două seturi de mașini: ce se întâmplă dacă mașinile cu semafor roșu ies primele? Ce se întâmplă dacă mașinile cu lumina albastră ies primele? Ce se întâmplă dacă acestea pornesc în același timp? Acest lucru ne-ar ajuta să înțelegem modul în care aceste seturi diferite de mașini interacționează unul cu celălalt.

Atunci cum alege un om de știință ce tehnică sau ce opsină să folosească? Răspunsul va depinde de întrebarea pe care cercetătorul dorește să o exploreze. Următoarea secțiune va evidenția unele dintre întrebările care au fost investigate cu ajutorul optogeneticii.

Descoperiri recente cu ajutorul optogeneticii

Cercetătorii în domeniul creierului au început să folosească optogenetica în 2005 . De atunci, metodele optogenetice au fost folosite pentru a studia creierul din mai multe puncte de vedere diferite – de la comunicarea unui grup de neuroni individuali, până la interacțiunile dintre regiunile mari ale creierului (revizuite în Ref. ). Multe alte studii au folosit metode optogenetice pentru a investiga diferite subiecte și întrebări. Unele întrebări recente sunt: unde se află frica în creier? Cum se calculează riscul și recompensa? Cum sunt stocate amintirile? (analizate în Ref. ). Noi am folosit optogenetica la șoareci pentru a investiga modul în care creierul se modifică după un accident vascular cerebral . Un accident vascular cerebral are loc atunci când alimentarea cu sânge a unei zone a creierului este întreruptă sau redusă. Acest lucru este periculos deoarece alimentarea cu sânge transportă oxigen și alți nutrienți importanți de care creierul are nevoie pentru a supraviețui. Dacă o zonă a creierului rămâne prea mult timp fără oxigen, neuronii din acea zonă vor muri în cele din urmă. Acest lucru cauzează probleme pentru acea anumită zonă a creierului și pentru orice alte zone ale creierului care sunt conectate la aceasta. În studiul nostru, am vrut să investigăm modul în care un mic accident vascular cerebral într-o zonă a creierului a afectat multe alte zone ale creierului. Pentru a începe, am folosit ChR2 pentru a ne ajuta să desenăm o hartă funcțională a creierului de șoarece. Am comparat hărțile între animalele cu un accident vascular cerebral și cele fără accident vascular cerebral. Am constatat că hărțile s-au schimbat în timp. La 1 săptămână după accidentul vascular cerebral, activitatea generală a creierului era foarte scăzută. În mod surprinzător, activitatea era scăzută chiar și într-o zonă aflată la mare distanță de accidentul vascular cerebral. La 8 săptămâni după accidentul vascular cerebral, activitatea generală a creierului era mai mare, dar nu a revenit la normal. Din aceste date, am concluzionat că până și un accident vascular cerebral mic poate avea un efect mare asupra modului în care funcționează creierul în ansamblu. Înțelegerea a ceea ce se întâmplă cu creierul după un accident vascular cerebral ar putea ajuta oamenii de știință să creeze tratamente mai bune pentru pacienții cu accident vascular cerebral. Acesta este doar un exemplu de cât de utilă poate fi optogenetica pentru investigarea întrebărilor despre creier. Este probabil că oamenii de știință din domeniul creierului vor continua să folosească optogenetica pentru mulți ani de acum încolo.

Glosar

Neuroni: Celule speciale din creier care comunică între ele prin trimiterea și primirea de semnale electrice și chimice. Există miliarde de neuroni în creier, iar semnalele trimise între aceste celule stau la baza tuturor gândurilor și comportamentelor noastre. Neuronii sunt uneori numiți celule nervoase.

Studiu de stimulare electrică: O tehnică de activare a neuronilor sau a căilor neuronale prin inserarea unui mic electrod și trimiterea unui curent electric în țesut. Acest lucru provoacă modificări în activitatea electrică a țesutului.

Neuroscience: O ramură a științei care studiază creierul și sistemul nervos.

Optogenetică: O tehnică care utilizează o combinație de lumină și inginerie genetică pentru a controla activitatea unei celule.

Inginerie genetică: Procesul de modificare a informațiilor din codul genetic (planurile) unei ființe vii prin adăugarea sau ștergerea de informații. Ingineria genetică este uneori numită modificare genetică.

Opsine: Proteine care răspund la un anumit tip de lumină (de exemplu, ChR2 răspunde numai la lumina albastră). În neuroștiință, aceste proteine sunt folosite pentru a controla activitatea neuronilor.

Channelrhod-Opsin-2 (ChR2): O opsină care răspunde în mod specific la lumina albastră. Atunci când ChR2 este inserată în neuroni, lumina albastră poate fi folosită pentru a porni acei neuroni. ChR2 este în prezent cea mai populară opsină pentru studiile optogenetice.

Stroke: În mod normal, sângele transportă oxigenul și alți nutrienți importanți către creier. Atunci când alimentarea cu sânge este întreruptă sau redusă, creierul nu primește lucrurile de care are nevoie pentru a funcționa corect. Acest lucru se numește accident vascular cerebral, iar acest lucru poate cauza probleme și disfuncții de durată.

Declarație privind conflictul de interese

Autorii declară că cercetarea a fost efectuată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.

Articolul sursă originală

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., Vanni, M. P., și Murphy, T. H. 2013. Abordări optogenetice pentru cartografierea funcțională a creierului de șoarece. Front. Neurosci. 7:54. doi:10.3389/fnins.2013.00054

Kolb, B., Whishaw, I. Q., și Teskey, G. C. 2016. An Introduction to Brain and Behavior (Introducere în creier și comportament). 5th ed. New York, NY: Worth.

Penfield, W., și Edwin, B. 1937. Reprezentarea somatică motorie și senzorială în cortexul cerebral al omului, așa cum a fost studiată prin stimulare electrică. 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, un canal membranar selectiv de cationi direct pornit la lumină. Proc. Natl. acad. Sci. U.S.A. 100:13940-5. doi:10.1073/pnas.1936192100

Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., și Deisseroth, K. 2005. Controlul optic al activității neuronale la scară de milisecunde, direcționat genetic, la nivel de timp. Nat. Neurosci. 8:1263-8. doi:10.1038/nn1525

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., Vanni, M. P., și Murphy, T. H. 2013. Abordări optogenetice pentru cartografierea funcțională a creierului de șoarece. Front. Neurosci. 7:54. doi:10.3389/fnins.2013.00054

Deisseroth, K. 2015. Optogenetica: 10 years of microbial opsins in neuroscience (10 ani de opsine microbiene în neuroștiințe). Nat. Neurosci. 18(9):1213-25. doi:10.1038/nn.4091

Lim, D. H., LeDue, J., Mohajerani, M. H., și Murphy, T. H. 2014. Cartografierea optogenetică după un accident vascular cerebral dezvăluie scalarea la nivel de rețea a conexiunilor funcționale și recuperarea eterogenă a peri-infarctului. J. Neurosci. 34(49):16455–66. doi:10.1523/JNEUROSCI.3384-14.2014