Nobel za przełom w badaniach mózgu. Czy naukowcy będą mogli zmieniać wspomnienia?

Nobel za przełom w badaniach mózgu

Optogenetyka, dziedzina. która przemknęła przez nagłówki za sprawą Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny, ma pokaźną historię, a także niemało kontrowersji i wątpliwości na koncie. Dotyczą przede wszystkim potencjalnego „hakowania” za jej pomocą mózgu w tym nawet teoretycznej możliwości wymazywania lub wgrywania sztucznych wspomnień do umysłu.

Noblem uhonorowano trzech naukowców - Georga Nagela, Petera Hegemanna i Karla Deisserotha. Pierwsi dwaj byli pionierami tych badań. Na początku XXI w, odkryli rodopsynę kanałową, białko, znajdujące się na powierzchni komórki glona Chlamydomonas. Gdy rodopsyna jest oświetlana niebieskim światłem, otwiera się kanał jonowy w komórce. Naładowane jony napływają i wytwarzają impuls elektryczny. Deisseroth wykorzystał to, wprowadzając gen rodopsyny kanałowej do komórek nerwowych szczurów. Oświetlając komórki niebieskim światłem, wywołał sygnał nerwowy. Wyniki swoich przełomowych badań opublikował w 2005 r. Dwa lata później badacze po raz pierwszy „zainstalowali” sterowane światłem przełączniki pracy komórek nerwowych w mózgach żywych myszy.

Technika kontrolowania sygnałów nerwowych za pomocą światła zyskała popularność wśród badaczy, którzy dążyli do wykrycia połączeń neuronowych rządzących określonymi zjawiskami w mózgu typowymi dla zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych oraz towarzyszącymi uczuciom i wspomnieniom.

Deklarowane cele badań miały charakter medyczny i leczniczy. Naukowcy mówili o nadziei, że nowe narzędzie pomoże w badaniach i leczeniu chorób neurologicznych, w lepszym zrozumieniu, jak funkcjonuje mózg. Komunikaty mówiły m. in. o potencjalnych nowych metodach leczenia choroby Parkinsona, urazowego uszkodzenia mózgu czy paraliżu. Jednak dość wcześnie zauważono, że sterowanie światłem neuronów może dać coś więcej niż tylko terapie medyczne.

Czytaj również

Lekarze zarabiają za dużo? Tego chce większość Polaków

Maria Ochman, NSZZ "S" Ochrony Zdrowia: Może minister znajdzie w sobie odwagę, żeby do nas przyjść

Biskup Helsinek broni doktoratu z medycyny

Najgroźniejszy nowotwór pod lupą naukowców. Pojawiła się obiecująca terapia

Duch Akcji T4 nad Niemcami. Lekarz nawołuje do debaty nt. wręcz przymusowej eutanazji

Współodkrywca struktury DNA James Watson nie żyje

Naukowcy potrafią sterować neuronami. Tak działa przełomowa technologia

Deisseroth i jego koledzy z Uniwersytetu Stanforda, by stworzyć pożądany system, umieszczali w mózgu myszy komórki z genami odpowiedzialnymi za syntezę biomolekuły ChR2, światłoczułego białka błonowego (opsyna) pochodzącego od glonów. Wykorzystywanie energii światła do wpuszczania jonów do neuronów staje się tu drogą do kontroli aktywności elektrycznej neuronów, czyli wpływania za pomocą światła na zachowanie zwierzęcia, wręcz sterowania nim. W ramach eksperymentów udawało się np. wybudzać zwierzęta ze snu samymi jedynie impulsami światła.

Ze względu na różne komplikacje związane z techniką optogenetyki, np. konieczność modyfikowania genetycznego komórek, zaproponowano inną metodę stymulacji neuronów, wykorzystującą zamiast światła fale radiowe o niskiej częstotliwości lub pole magnetyczne.

Jak zdalnie czytać w mózgu i kontrolować jego aktywność?

Doniesienia o postępach w optogenetyce i technikach pokrewnych pojawiały się przez lata w komunikatach z badań naukowych. Jednak nie była to dziedzina tak głośna jak np. grafen czy rozwój AI.

Kilkanaście lat temu zespół Francisco Bezanilli z uczelni w Chicago wykorzystał zdolność nanodrobin złota (AuNP) do przekształcania światła w ciepło jako technikę stymulacji neuronowej. Po dostarczeniu impulsów zielonego lasera do próbek biologicznych z wprowadzonymi drobinami AuNP o wielkości 20 nm, światło spowodowało przejściowy i lokalny wzrost temperatury, który wywołał czynne reakcje błony komórkowej. Technika ta umożliwiała pobudzanie neuronów za pomocą światła bez konieczności wprowadzania do komórek obcego DNA lub RNA (co w wcześniej w optogenetyce było konieczne).

Potem badacze z Uniwersytetu Illinois stworzyli tak zwane bioroboty, modyfikując żywe komórki mięśniowe pochodzące od myszy tak, by poruszały się w odpowiedzi na światło. Umieścili je w hydrożelowych szkieletach. Bodźce świetle zmuszały owe „bioroboty” do ruchu, a nawet - „ćwiczeń”.

Głośniejszym medialnie osiągnięcie było to pochodzące z 2017 r., gdy naukowcom z Uniwersytetu w Buffalo udało się zdalnie kontrolować mózgi laboratoryjnych myszek, wymuszając na zwierzętach bieganie i stawanie bez ruchu. Nie używali do tego jednak impulsów świetlnych, lecz „stymulacji magnetotermicznej”. Działa to na podobnej zasadzie jak optogenetyka i sonogenetyka (dźwiękowe sygnały sterujące). Naukowcy z Bufallo sterowali zdalnie aktywnością neuronów dzięki nanocząstkom magnetycznym, które nieco podobnie do wspomnianego AuNP stymulują neurony z wrażliwymi na zmiany temperatury kanałami jonowymi.

W 2021 r. badaczom z Koreańskiego Instytutu Zaawansowanej Nauki i Technologii (KAIST) udało się optogenetycznie przeprogramować zachowanie szczurów za pomocą aplikacji na smartfona, umożliwiającej, jak to ujęto w komunikacie prasowym, „kontrolę mózgu w czasie rzeczywistym”. A ponieważ implant był tu ładowany zdalnie, nie potrzeba było już operacji wymiany zużytych baterii lub nieporęcznego zewnętrznego zasilania implantów. To było duże osiągnięcie. Badacze z KAIST wykorzystali implant do blokowania zachowań wywołanych aplikowaną wcześniej szczurom kokainą.

Czy można wszczepić sztuczne wspomnienia?

Wśród doniesień o postępach optogenetyki jest też niewinnie brzmiąca informacja o „implantowaniu” umiejętności śpiewania. W 2019 r. badaczom z teksaskiej uczelni UT Southwestern pod kierownictwem Todda Robertsa udało się „zapisać” w mózgu ptaka pamięć o melodii, której następnie ptaki uczyły się śpiewać.

Roberts podkreślił, ludzki mózg jest dużo bardziej złożony niż ptasi a technika szybkiej nauki przez implantowanie pamięci, to wciąż odległa przyszłość. Trudno jednak nie zauważyć, że jego badania „implantują” w opinii publicznej koncepcję wszczepiania sztucznych wspomnień i innych treści mózgu za pomocą optogenetyki.

Temat wiąże się z koncepcją połączeń mózgowych za pośrednictwem technologicznym, czy to ludzkich mózgów z innymi ludzkimi mózgami, czy też co brzmi nawet bardziej złowrogo, z jakimś, nazwijmy to, „ośrodkiem sterującym”.

Już w połowie 2013 r. ukazał się głośny wtedy komunikat o eksperymencie Rajesha Rao i Andrei Stocco dwóch naukowców z Uniwersytetu stanu Waszyngton, którzy połączyli przez internet, w sposób nieinwazyjny, swoje własne mózgi. W efekcie jeden z nich miał zdalną kontrolę nad ruchami palca drugiego, przebywającego w gabinecie po drugiej stronie kampusu uczelni. W eksperymencie tym elektroencefalograf rejestrował aktywność fal mózgowych Rao, przekształcając je w impuls elektryczny, przesyłany następnie przez sieć do urządzenia służącego do tzw. przezczaszkowej stymulacji magnetycznej mózgu (TMS) Stocco. Rao grał więc rolę nadawcy myśli. Miał przed sobą ekran i wyobrażał sobie, że prawą dłonią przesuwa na ekranie kursor, którym trafia w przycisk odpalający armatę na ekranie. W pomieszczeniu po drugiej stronie kampusu Stocco z urządzeniem do przezczaszkowej stymulacji na głowie, wykonywał bezwiednie odpowiedni ruch. Stocco opowiadał, że wrażenie było podobne jak w przypadku nerwowego tiku - zupełnie nie miał nad tym kontroli.

Wydaje się, że dodanie do tego układu implantów pobudzających neurony precyzyjna technika optogenetyczną, mogłoby znacznie wzmocnić proces zdalnej kontroli. Nic jednak o takich eksperymentach na ludziach nie wiadomo (przynajmniej oficjalnie).

Czy technologia pozwoli kiedyś kontrolować ludzki mózg?

Enigmatycznych sygnałów, że tu i ówdzie pracuje się nad hakowaniem ludzkiego mózgu jednak nie brakuje.

W 2018 r. pojawiała się informacja, że na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley opracowano narzędzie pozwalające manipulować ludzkim mózgiem i umieszczać w nim fałszywe doznania, a po dopracowaniu miało to także pozwolić edytować ludzką pamięć. Nazwano to „holograficznym modulatorem mózgu”. Miał tworzyć projekcje, które pozwalają aktywować lub wyłączać konkretne neurony. Twórcy wskazywali, że technologia ułatwi pacjentom kontrolować protezy kończyn dolnych lub górnych. W trakcie prowadzonych eksperymentów, naukowcy skorzystali z mózgu myszy i skupili się na grupie od 2 do 3 tysięcy neuronów, kontrolowanych za pomocą optogenetyki. „To jeden z pierwszych kroków na długiej drodze do opracowania technologii, która może stać się wirtualnym implantem mózgu z dodatkowymi lub wzmocnionymi zmysłami,” powiedział Alan Mardinly z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley.

To chyba dobrze, że ów „holograficzny modulator mózgu” był urządzeniem mocno niedoskonałym i potrafił wpływać jedynie na neurony w zewnętrznej warstwie mózgu. Dalsze losy tego konceptu nie są jasne. Cytowany Alan Mardinly pracował potem m. in. w Neuralink Elona Muska, firmie tworzącej implanty mózgowe. Nie jest całkiem wykluczone, że pomysł, by kontrolować i zdalnie sterować mózgami, implantować w nich myśli czy wspomnienia, za pomocą technik optogenetycznych, ale nie tylko, może rozwijać się w różnych nie zawsze całkiem znanych i jawnych programach badawczych.

Mirosław Usidus

Lead, śródtytuły i sekcja "Co musisz wiedzieć" od redakcji.

Źródła:

• https://www.nature.com/articles/519264c
• https://www.nature.com/articles/s41467-020-20803-y
• https://www.nature.com/nature-index/article/10.1038/s41467-020-20803-y
• https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaw4226
• https://news.berkeley.edu/2018/04/30/editing-brain-activity-with-holography/
• https://www.nature.com/articles/s41593-018-0139-8

FAQ: Optogenetyka i „hakowanie” mózgu

1. Czym jest optogenetyka?
To technika kontrolowania sygnałów nerwowych za pomocą światła. Do neuronów wprowadza się gen światłoczułego białka, dzięki czemu komórki można włączać i wyłączać impulsami światła.

2. Kto ją odkrył i za co przyznano Nagrodę Nobla?
Noblem w dziedzinie fizjologii lub medycyny uhonorowano Georga Nagela, Petera Hegemanna i Karla Deisserotha. Nagel i Hegemann na początku XXI wieku odkryli rodopsynę kanałową w komórkach glona Chlamydomonas.

3. Czy naukowcy naprawdę sterowali zachowaniem zwierząt?
Tak, w eksperymentach laboratoryjnych. Zwierzęta wybudzano ze snu impulsami światła. W 2017 r. naukowcy z Uniwersytetu w Buffalo wymuszali na myszach bieganie i zatrzymywanie się dzięki stymulacji magnetotermicznej. W 2021 r. badacze z KAIST przeprogramowali zachowanie szczurów za pomocą aplikacji na smartfona i zdalnie ładowanego implantu.

4. Czy można wszczepić komuś sztuczne wspomnienia?
U ptaków badacze z UT Southwestern w 2019 r. „zapisali” w mózgu pamięć o melodii, której ptaki następnie uczyły się śpiewać. Podkreślano jednak, że ludzki mózg jest znacznie bardziej złożony i że wszczepianie wspomnień ludziom to wciąż odległa przyszłość.

5. Czy ludzkie mózgi da się zdalnie łączyć lub kontrolować?
W 2013 r. Rajesh Rao i Andrea Stocco z Uniwersytetu stanu Waszyngton połączyli swoje mózgi przez internet. Elektroencefalograf rejestrował aktywność mózgu Rao, a impuls trafiał do urządzenia do przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS) u Stocco, który wykonywał ruch palca bez własnej kontroli.