Δημιούργησαν «διακόπτη» που... σβήνει τον εγκέφαλο, Scientists build new 'off switch' to shut down neural activity

Με χρήση παλμών φωτός επιστήμονες μπορούν να κλείσουν κατά βούληση νευρωνικά δίκτυα. Channelrhodopsins before (upper left) and after (lower right) molecular engineering, shown superimposed over an image of a mammalian neuron. In the upper left opsin, the red color shows negative charges spanning the opsin that facilitated the flow of positive (stimulatory) ions through the channel into neurons. In the newly engineered channels (lower right), those negative charges have been changed to positive (blue), allowing the negatively charged inhibitory chloride ions to flow through. Credit: Andre Berndt, Soo Yeun Lee, Charu Ramakrishnan, and Karl Deisseroth

Έναν «διακόπτη» που… κλείνει τη νευρωνική δραστηριότητα του εγκεφάλου με χρήση παλμών φωτός, ανέπτυξαν ειδικοί του Πανεπιστημίου Στάνφορντ.

Το 2005 ο Καρλ Ντάισεροτ από το Πανεπιστήμιο Στάνφορντ ανακάλυψε τον τρόπο ώστε να «ανοίγει» και να «κλείνει» μεμονωμένα κύτταρα του εγκεφάλου με χρήση μιας τεχνικής φωτός την οποία ονόμασε «οπτογενετική». Εκτοτε, ερευνητικές ομάδες σε ολόκληρο τον κόσμο εφήρμοσαν τη συγκεκριμένη τεχνική για τη μελέτη βλαστικών κυττάρων, κυττάρων του εγκεφάλου, της καρδιάς αλλά και άλλων τύπων κυττάρων που ρυθμίζονται μέσω ηλεκτρικών σημάτων. Ωστόσο, από τις μελέτες είχε φανεί ότι η μέθοδος που βασιζόταν σε χρήση φωτοευαίσθητων πρωτεϊνών ήταν αποτελεσματικότερη στο «άναμμα» των κυττάρων παρά στο «σβήσιμό» τους.

Τι είναι η οπτογενετική

Optogenetics: A wireless, optical router for your brain. Nearly a decade ago, the era of optogenetics was ushered in with the development of channelrhodopsins, light-activated ion channels that can, with the flick of a switch, instantaneously turn on neurons in which they are genetically expressed. What has lagged behind, however, is the ability to use light to inactivate neurons with an equal level of reliability and efficiency. Now, scientists have used an analysis of channelrhodopsin's molecular structure to guide a series of genetic mutations to the ion channel that grant the power to silence neurons with an unprecedented level of control.

Σημειώνεται ότι η οπτογενετική αποτελεί συνδυασμό της οπτικής με τη γενετική μηχανική. Είναι μια τεχνική μελέτης των νευρωνικών κυκλωμάτων που βασίζεται σε φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες οι οποίες απομονώνονται από διάφορους μικροοργανισμούς. Κάθε πρωτεΐνη είναι φωτοευαίσθητη σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος του φωτός και ανταποκρίνεται σε αυτό αλλάζοντας την τρισδιάστατη μορφή της, έτσι ώστε να εισέρχονται και να εξέρχονται τα αναγκαία για τη διαδικασία ιόντα – οι φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες λειτουργούν με λίγα λόγια ως κυτταρικές χρωστικές ουσίες.

Η λειτουργία των κυττάρων που δέχονται αυτές τις πρωτεΐνες μπορεί να ελεγχθεί με παλμούς λέιζερ. Ένα παράδειγμα είναι ότι το μπλε φως διεγείρει κάποιους νευρώνες, τους οποίους το κόκκινο φως αναστέλλει.

Αποτελεσματικός off διακόπτης

To νέο «εργαλείο» αναμένεται να βοηθήσει στην αποτελεσματική θεραπεία διαταραχών του εγκεφάλου όπως η επιληψία. Now, after almost a decade of research, scientists have been able to shut down the neurons as well as activate them. Research could help towards developing treatment for neurological disorders such as epilepsy. 

Τώρα, περίπου μια δεκαετία μετά την πρώτη επιτυχία της ομάδας από το Στάνφορντ, ο δρ Ντάισεροτ και οι συνεργάτες του επέτυχαν να «ανοίξουν» και να «κλείσουν» τους νευρώνες του εγκεφάλου εξίσου αποτελεσματικά. Οι ερευνητές τροποποίησαν κατάλληλα τις φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες που είναι απαραίτητες για το «κλείσιμο» της νευρωνικής δραστηριότητας, όπως αναφέρουν με δημοσίευσή τους στην επιθεώρηση «Science».

Σύμφωνα με τον Τόμας Ινσεν, διευθυντή του Εθνικού Ινστιτούτου Ψυχικής Υγείας των ΗΠΑ το οποίο χρηματοδότησε τη μελέτη, αυτός ο βελτιωμένος «οff» διακόπτης θα βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τα δίκτυα του εγκεφάλου που εμπλέκονται στη σκέψη, στη συμπεριφορά και στα συναισθήματα.

«Επί μακρόν τόσο εμείς όσο και άλλοι στο πεδίο προσπαθούσαμε να επιτύχουμε αυτήν την αναστολή της λειτουργίας των νευρώνων» ανέφερε ο δρ Ντάισεροτ, κύριος συγγραφέας της μελέτης και καθηγητής Εμβιομηχανικής, Ψυχιατρικής και Συμπεριφορικών Επιστημών και προσέθεσε: «Είμαστε ενθουσιασμένοι με το ότι τώρα το καταφέραμε κυρίως επειδή πιστεύουμε ότι αυτή η εξέλιξη θα βελτιώσει τις έρευνές μας σε οργανισμούς με μεγάλο μέγεθος εγκεφάλου όπως οι αρουραίοι και τα πρωτεύοντα είδη».

Αλλαγή 10 αμινοξέων

Η νέα τεχνική βασίζεται σε αλλαγή 10 αμινοξέων των οπτογενετικών πρωτεϊνών που χρησιμοποιεί η ομάδα και οι οποίες ονομάζονται μικροβιακές οψίνες. «Με τη νέα μελέτη ‘γεννιέται’ ένα ισχυρό εργαλείο που επιτρέπει στους νευροεπιστήμονες να βάζουν ‘φρένο’ σε οποιοδήποτε κύκλωμα θέλουν με ακρίβεια της τάξεως του χιλιοστού του δευτερολέπτου» εξήγησε ο κ. Ινσελ.

Η μέθοδος μπορεί να βοηθήσει τους ειδικούς να αναπτύξουν θεραπείες για ασθενείς με κάποιες νόσους του εγκεφάλου παρεμβαίνοντας με φως σε νευρωνικά δίκτυα τα οποία θα «ανάβουν» και θα «σβήνουν» σύμφωνα με τη βούληση των επιστημόνων.

Ο Μέραμπ Κοκάια, καθηγητής του Πανεπιστημιακού Νοσοκομείου του Λουντ στη Σουηδία που χρησιμοποιεί την οπτογενετική για τη μελέτη της επιληψίας χαιρέτισε τα νέα ευρήματα. «Το καινούργιο ‘εργαλείο’ μπορεί να αποδειχθεί άκρως χρήσιμο στις συμπεριφορικές μελέτες σε ζώα αλλά συγχρόνως μπορεί να αποτελέσει μια θεραπευτική εναλλακτική για νευρολογικές παθήσεις στις οποίες τα φάρμακα δεν είναι αποτελεσματικά, όπως στην επιληψία και σε άλλες διαταραχές που σχετίζονται με υπερδιέγερση των νευρώνων» είπε ο ειδικός.

To ψυχρότερο άστρο είναι κρύο σαν την Αρκτική, Coldest ‘Brown Dwarf’ Ever Known In Sun’s Neighborhood

Ο καφέ νάνος σε καλλιτεχνική απεικόνιση. Το πραγματικό του χρώμα είναι άγνωστο. This artist's conception shows the object named WISE J085510.83-071442.5, the coldest known brown dwarf. This cool star-like body is as frosty as the North Pole. It is also the fourth closest system to our sun, at 7.2 light-years from Earth. Penn State University/NASA/JPL-Caltech

Βρίσκεται σε απόσταση μόλις 7 ετών φωτός, είναι όμως τόσο σκοτεινό που παρέμενε άγνωστο ως σήμερα. Είναι το ψυχρότερο γνωστό άστρο, ένας καφέ νάνος με θερμοκρασία από -13 έως 48 βαθμούς Κελσίου.

Αποτυχημένα

The locations of the star systems that are closest to the Sun. The year when each star was discovered to be a neighbor of  the Sun is indicated. The brown dwarf WISE J085510.83-071442.5 is the fourth nearest system to the Sun. Credit: Janella Williams, Penn State University

Οι καφέ νάνοι είναι σώματα που θεωρούνται άστρα, καθώς σχηματίζονται στο κέντρο πλανητικών συστημάτων από τη συμπύκνωση γιγάντιων σύννεφων υδρογόνου. Τα περισσότερα άστρα έχουν τόσο μεγάλη μάζα ώστε η πίεση στο εσωτερικό τους είναι αρκετή για να πυροδοτήσει αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης. Οι καφέ νάνοι, αντίθετα, δεν έχουν αρκετή μάζα για να λάμπουν και εκπέμπουν μόνο ένα αμυδρό κοκκινωπό φως ή υπέρυθρη ακτινοβολία -γι΄αυτό και αποκαλούνται συχνά «αποτυχημένα άστρα».

Ο ψυχρός γείτονας

WISE J085510.83-071442.5 was discovered through its rapid motion across the sky in two infrared images the WISE satellite taken six months apart in 2010. Two additional images were taken with the Spitzer Space Telescope in 2013 and 2014 to measure its distance via the parallax effect. Credit: NASA/JPL/IPAC

Ο κατεψυγμένος καφέ νάνος, με την ονομασία WISE J085510.83-071442.5, εκτιμάται ότι έχει μάζα μόλις τέσσερις φορές μεγαλύτερη του Δία, είναι δηλαδή μικρότερος από πολλούς εξωπλανήτες που έχουν ανακαλυφθεί ως σήμερα.

Το αποτυχημένο άστρο είναι αόρατο στα οπτικά τηλεσκόπια, έγινε όμως αντιληπτό από το υπέρυθρο διαστημικό τηλεσκόπιο WISE της NASA, το οποίο σαρώνει ολόκληρο τον ουρανό τουλάχιστον δύο φορές την ημέρα.

Ερευνητές του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Πενσιλβάνια αντιλήφθηκαν ένα αντικείμενο που είχε μετακινηθεί ανάμεσα σε δύο διαδοχικές λήψεις και αποδείχθηκε τελικά ότι ήταν ένας άγνωστος ως σήμερα καφέ νάνος. Η μεγάλη ταχύτητα με την οποία φαινόταν να κινείται στον ουρανό υποδήλωνε ότι βρίσκεται εξαιρετικά κοντά, σε απόσταση μόλις 7,2 ετών φωτός.

Η μελέτη του WISE J085510.83-071442.5 θα μπορούσε τώρα να προσφέρει νέα στοιχεία σε μια σχετικά πρόσφατη διαμάχη για το εάν οι καφέ νάνοι πρέπει να θεωρούνται άστρα ή πλανήτες. Μέχρι σήμερα, τον τίτλο του ψυχρότερου άστρου κατείχε ένας καφέ νάνος σε θερμοκρασία χλιαρού καφέ.