Hersencontrole met licht Het is mogelijk met Optogenetics

Medische wetenschappers bestuderen de hersenen al meer dan vijfhonderd jaar - en na al die tijd heeft het enigmatische orgaan nog steeds veel geheimen. Eindelijk, over alleen de laatste paar jaar, een nieuwe techniek genaamd “optogenetics” is in opkomst, wat wetenschappers kan helpen om de geheimen van de hersenen te ontrafelen (en de stoornissen ervan te behandelen) op een geheel nieuwe manier.

Waarom hebben we Optogenetics nodig??

In veel opzichten is het verbazingwekkend dat psychiatrische medicatie helemaal werkt. De stand van de techniek - de allerbeste moderne wetenschap kan doen - komt neer op het onderdompelen van de hersenen in een chemisch bad en in de hoop dat dit het enige is waar we in geïnteresseerd zijn. En ... het werkt! Soms.

Er zijn medicijnen die zeer krachtig zijn voor de behandeling van depressie, OCD, bipolaire stoornis en de ziekte van Parkinson. Ze zijn vaak bezaaid met onaangename bijwerkingen. De medicijnen die goed werken, werden vaak ontdekt door niets anders dan vallen en opstaan. In veel gevallen hebben wetenschappers geen gedetailleerd inzicht in hoe het brein werkt om een ​​normale functie te bereiken - of hoe het werkt als het niet goed functioneert. Deze kennislacunes zijn moeilijk aan te pakken door traditionele manieren om de hersenen te bestuderen en het vermogen om effectieve therapieën te ontwikkelen te beperken.

Wat psychiaters en neurologen echt leuk zouden willen zijn, is totale lees-schrijftoegang tot de hersenen: het vermogen om in iemands hoofd te reiken en willekeurige groepen van neuronen te prikkelen of te onderdrukken, met een resolutie met één neuron, waardoor we de populaties die disfunctioneel zijn kunnen isoleren en hun gedrag in real time. Helaas is het onpraktisch om iemands hoofd open te breken en draden naar elk neuron te laten lopen.

De belofte van optogenetica is dat het artsen daadwerkelijk iets kan laten bereiken dat zo dicht bij dat soort toegang ligt.

Hoe wetenschappers licht gebruiken om de hersenen te beheersen

Hier is hoe het werkt: ten eerste injecteren onderzoekers het onderwerp met een genetisch gemanipuleerd virus, ontworpen om hersenweefsel te infecteren. Honderden miljarden kopieën van het virus overspoelen de hersenen en injecteren hun nuttige lading in zenuwcellen wanneer ze deze tegenkomen.

Deze virussen zijn niet schadelijk: in plaats van een kwaadwillende, zelfreplicerende lading te leveren, zijn deze virussen door wetenschappers ontworpen om een ​​goedaardige DNA-streng af te leveren die codeert voor speciale oppervlakte-eiwitten die reageren op specifieke golflengten van licht. De virussen dienen gewoon als wegwerpspuiten om het speciale DNA aan de cellen af ​​te geven.

De neuronen nemen dit speciale DNA op en, als de omstandigheden goed zijn, expresse-oppervlakte-eiwitten die ervoor zorgen dat ze vuren wanneer ze worden gestimuleerd met licht - dezelfde soorten eiwitten die door menselijke netvliescellen worden gebruikt om licht te detecteren en beelden te vormen. Door het DNA te veranderen om meer kieskeurig te zijn wanneer het zichzelf tot uitdrukking brengt, kunnen wetenschappers kiezen welke soorten neuronen (er zijn duizenden variëteiten) het oppervlakte-eiwit tot expressie brengen en op licht reageren.

Vervolgens, door zorgvuldig te controleren waar licht op de hersenen scheen, kunnen de specifieke locaties die worden gestimuleerd of ingedrukt, worden gecontroleerd met sub-millimeter precisie, een mate van controle die nooit eerder mogelijk was. Beter nog, veel delen van de hersenen kunnen worden aangetast zonder dat draden door hersenmaterie hoeven te worden gesneden of draadgebonden, waardoor de procedure veel veiliger is dan bij conventionele vormen van hersenstimulatie.

Volgens Ed Boyden, hoogleraar bio-engineering en neurowetenschap aan het MIT,

Als je cellen in de hersenen kunt besturen, kun je erachter komen wat hun kracht is, wat ze kunnen beïnvloeden - en als je cellen in de hersenen kunt controleren, kun je afwijkende hersenaandoeningen oplossen en kun je nieuwe therapieën maken , het opnieuw ontwerpen van de berekeningen die mis zijn gegaan bij een neurologische of psychiatrische stoornis

Je kunt een redelijk technische (maar uiterst interessante) lezing over de technieken en methodologie hieronder bekijken:

Wat kunt u doen met Optogenetics?

Stel je voor dat een onderzoeker beter wil begrijpen hoe depressief werkt. Dus, de onderzoeker verzamelt enkele depressieve muizen (vraag niet hoe onderzoekers depressieve muizen maken, je wilt het niet weten), en begint te testen.

Ze controleren verschillende soorten neuronen en verschillende delen van de hersenen en zien wat er gebeurt als je die gebieden en dat soort neuronen stimuleert of indrukt. Sommige experimentele groepen worden gelukkiger - sommigen worden depressiever: de meesten doen geen van beide. Door te bepalen welke populaties verwant zijn en hoe deze de uitkomst beïnvloeden, bouwt de onderzoeker langzaam een ​​diepgaande, gedetailleerde functionele kaart van de hersenen op: de machines van vreugde isoleren.

Dit is het soort experiment dat optogenetica mogelijk maakt, en het biedt wetenschappers een dieper begrip van verschillende mentale functies en de manieren waarop ze verkeerd kunnen gaan.

Optogenetica heeft al geleid tot enkele interessante potentiële inzichten in de auditieve hallucinaties van schizofrenie. Volgens Dr. Karl Deisseroth van Stanford University lijkt het waarschijnlijk dat de stemmen in feite normale componenten van de interne monoloog zijn die verkeerd worden geïnterpreteerd als externe invloed.

“Het is misschien een slecht erkende versie van interne gedachten. Op de een of andere manier gaat de informatie verloren dat een gedachte echt van zichzelf komt. Het wordt gezien als een vreemd iets, een stem die spreekt. [...] [Voorafgaand aan optogenetics] was er geen manier om dit te weten, omdat er geen manier was om [de cellen] selectief te controleren op de juiste tijdschaal.”

Dit soort inzichten zijn van wetenschappelijk belang en kunnen leiden tot betere medicijnen en therapieën, maar ook tot het beantwoorden van oude mysteries over de aard van bewustzijn en intelligentie. Denkmachines: wat neurowetenschap en kunstmatige intelligentie ons kunnen leren over bewustzijn Denkmachines: wat neurowetenschappen en kunstmatige Intelligentie kan ons leren over bewustzijn Kan het bouwen van kunstmatig intelligente machines en software ons leren over de werking van het bewustzijn en de aard van de menselijke geest zelf? Lees verder .

In de nabije toekomst kunnen artsen de inzichten die ze van deze experimenten krijgen, gebruiken, omdraaien en optogenetica gebruiken bij patiënten om de neurologische activiteiten die bijdragen aan depressie te beïnvloeden. Met Optogenetics kunnen artsen niet alleen de hersenen bestuderen, maar ook met een grotere nauwkeurigheid dan voorheen mogelijk was.

Een Sanity Hat bouwen

Helaas is het waarschijnlijk niet mogelijk om optogenetica niet-invasief op mensen te gebruiken. De schedel is gewoon te dik, dus het is noodzakelijk om glasvezelkabels er doorheen te voeren. Dit is een grote operatie en er zijn risico's aan verbonden, die verder gaan dan wat normaal gesproken het begin is van een cursus psychiatrische medicatie.

De therapieën in kwestie hebben echter het potentieel om veel effectiever te zijn en minder bijwerkingen te hebben, dus het zal de moeite waard zijn voor veel patiënten. Er is al onderzoek gedaan naar het gebruik van elektrische hersengangmakers voor de behandeling van ernstige depressies, en de resultaten zijn veelbelovend. Toekomstige therapieën op basis van optogenetica zullen waarschijnlijk minder invasief en effectiever zijn: als het brein eenmaal is uitgerust met correct geplaatste glasvezelkabels, misschien door de neus ingebracht om te voorkomen dat de schedel doorbreekt, kan de rest van de hardware extern worden opgeborgen, voor eenvoudige toegang. Het implantaat zelf (de glasvezelkabels en laserdiodes) zou alleen stroom en een besturingssignaal nodig hebben, dingen die op een dag draadloos zouden kunnen worden geleverd.

De rest van de hardware (de computer, batterij, enzovoort) kan mogelijk extern worden gedragen, zodat de arts van de patiënt het kan herprogrammeren als dat nodig is, zonder dat extra chirurgie nodig is.

Naast het corrigeren van psychische aandoeningen, biedt optogenetica ook een veel meer biocompatibele en minder ingrijpende manier om rechtstreeks zenuwencellen in de hersenen en het lichaam te stimuleren dan conventionele geïmplanteerde elektroden, wat een lange weg zou kunnen gaan naar het maken van transhumanist-achtige, prestatieverhogende implantaten. en lichaam - De toekomst van geïmplanteerde computers Uw hersenen en lichaam aansluiten - De toekomst van geïmplanteerde computers Met de huidige trend van technische innovatie en vooruitgang is het nu een goed moment om de stand van zaken op het gebied van computer-menselijke technologieën te verkennen. Lees meer meer praktisch.

Voor de duidelijkheid, dit is allemaal nog een lange weg te gaan: optogenetica is op dit moment een veelgebruikte onderzoekstool (we hebben experimenten onder de loep genomen voordat licht-geheugenexperiment van invloed is op muizen, zoals een MIB-neuroloog, licht geheugenexperiment beïnvloedt muizen, brains like an MIB Neuralyzer Weet je nog wanneer Will Smith en Tommy Lee Jones de neuralyzer gebruikten om de herinneringen van mensen te wissen? Welnu, UC Davis-onderzoekers hebben met succes "specifieke herinneringen" gewist bij muizen met behulp van licht. Zijn rol als klinische therapie is echter minstens een decennium of twee verwijderd en kan mogelijk worden vervangen door andere technieken die vergelijkbare resultaten minder invasief kunnen bieden..

Toch is het vooruitzicht spannend en kunnen sommige applicaties eerder komen. Het is bijvoorbeeld mogelijk om optogenetics te gebruiken om betere cochleaire implantaten met veel grotere precisie te bouwen.

Is dit niet allemaal echt eng?

Sommigen van jullie die dit lezen, trekken al je aluminiumfoliehoeden strakker om je oren, en dat is helemaal eerlijk: dit soort toegang tot de hersenen is ongekend, buiten een bepaald merk van hysterische science fiction. Het potentieel voor misbruik is op zijn minst de moeite van het bespreken waard.

Als je genoeg controle over de hersenen kunt uitoefenen om depressies en schizofrenie en persoonlijkheidsstoornissen op te lossen, kun je mogelijk ook voldoende controle uitoefenen om iemands seksuele geaardheid te herprogrammeren - of lobachtige kinderen en gevangenen lobotomiseren. De risico's van ouders die dergelijke technologie proberen te gebruiken om identiteitsveranderingen op hun kinderen af ​​te dwingen, is er een die geheel nieuwe ethische zorgen opent waar de geneeskunde voor het eerst mee te maken krijgt.

Buiten dat, vanuit een eenvoudig oogpunt van computerbeveiliging, zijn veel moderne medische apparaten eenvoudig niet veilig genoeg en kunnen ze worden gehackt, in sommige gevallen zelfs draadloos. Dat soort compromissen is angstaanjagend genoeg met een pacemaker, maar het wordt echt gruwelijk als je het vooruitzicht beschouwt dat een aanvaller zonder jouw toestemming (potentieel) in je hoofd rond kan zitten.

De wetenschappers die aan deze therapieën werken, zijn zich niet bewust van deze problemen. Karl Deisseroth bracht in hetzelfde hierboven aangehaalde interview hetzelfde punt ter sprake:

“De specificiteit van optogenetica doet de vraag rijzen hoe je een brein precies kunt aanpassen om echt een individu te creëren met verschillende behoeften, verlangens, prioriteiten, gevoelens [...] er is ook een verontrustend aspect, dat vragen van vrije wil oproept..”

Toch zijn deze zorgen verbleekt in vergelijking met het enorme aantal mensen dat vreselijk lijdt onder momenteel onbehandelbare psychiatrische aandoeningen die optogenetica potentieel heeft om te helpen. Deze technologie is nuttiger dan gevaarlijk en kan, zoals deze de komende decennia wordt ontwikkeld, de aard van therapie voor geestelijke gezondheid radicaal veranderen..

Wat denk je? Eng, cool of ergens ertussenin? Heeft optogenetics het potentieel om u persoonlijk te helpen? Laat het ons weten in de comments!

Image Credit: Neurons via Shutterstock, “Aluminium folie,” door Russ Walker

Ontdek meer over: Bionic Technology, Geeky Science.