Naš je mozak fascinantno složen organ čiji rad istraživače zaokuplja još od antike. Kako organ težak tek otprilike 1,3 kilograma može pohranjivati dječja sjećanja, snove i kreativne ideje? Kako može biti izvor osjećaja radosti, ljubavi i ljubomore? Kako regulira otkucaje srca, ritam disanja i ciklus spavanja?
U dvadesetom stoljeću stručnjaci su uspješno utvrdili koje regije mozga upravljaju različitim fiziološkim funkcijama. To su bila neprocjenjivo važna saznanja, ali su dostupne metode bile razmjerno grube, pa se nije moglo dokazati uzrokuje li određena vrsta živčanih stanica izravno neki osjećaj ili ponašanje. Slika o mozgu stoga je bila kao zamućena fotografija s koje je nedostajalo mnogo detalja.
Francis Crick bio je jedan od onih koji su sanjali o preciznijim alatima za istraživanje iznimno složene mreže živčanih stanica u mozgu. Nekoliko desetljeća nakon otkrića dvostruke uzvojnice DNA 1953. počeo je proučavati mehanizme koji omogućuju ljudsku svijest, a u tu svrhu i to kako bi se pojedine živčane stanice mogle aktivirati u živom mozgu. Prijenos signala u živčanim stanicama iznimno je brz. Da bi se držao koraka s tom brzinom, Crick je zaključio da bi idealno rješenje vjerojatno bilo korištenje svjetlosti.
Ako bi molekularni biolozi nekako mogli manipulirati živčanim stanicama i navesti ih da reagiraju na svjetlost, možda bi mogli upravljati živčanom aktivnošću.
Sam je Crick priznao da se njegova zamisao čini nevjerojatnom, ali da bi se jednog dana možda mogla ostvariti.
Crickova divlja ideja danas je postala stvarnost. Karl Deisseroth, Peter Hegemann i Georg Nagel dobivaju Nobelovu nagradu za fiziologiju ili medicinu za 2026. za otkriće molekularnog prekidača živčanih stanica. Istraživači danas pomoću svjetlosti mogu uključivati ili isključivati pojedine živčane krugove u mozgu. Tako mogu dozivati sjećanja, izazivati osjećaje, usmjeravati obrasce ponašanja te proučavati vrste živčanih stanica koje imaju ulogu u raznim psihijatrijskim i neurološkim poremećajima. Metoda nazvana optogenetika iz temelja mijenja naše znanje o mozgu, a uz to nudi i važan uvid u to kako živčani sustav stupa u interakciju s različitim stanicama u drugim dijelovima tijela, primjerice u srcu i dijelovima crijeva.
Alge brzih reakcija
Put do optogenetike započeo je naizgled dalekim korakom: Peter Hegemann, suradnik Instituta Max Planck za biokemiju, početkom 1990-ih počeo je istraživati kako jednostanična alga zvana Chlamydomonas može brzo reagirati na svjetlost. Chlamydomonas poznata je po sposobnosti da pliva prema svjetlu: ako se pomiješa s hranjivom otopinom u Petrijevoj zdjelici i osvijetli jedna strana posude, zelena boja na strani izvora svjetlosti postaje puno intenzivnija, jer mikroskopske alge tamo doplivaju. Jednostanične alge svjetlost osjete svojom očnom pjegom. To je sitna narančasta točka na površini stanice koja sadrži molekulu osjetljivu na svjetlost zvanu retinal.
Hegemann je proučavao očnu pjegu algi. Pomoću sitnih elektroda mjerio je električne signale koji su nastajali u stanici Chlamydomonas kad bi se očna pjega osvijetlila. Alge su reagirale nevjerojatno brzo: tek pola milisekunde nakon što bi svjetlost stigla do očne pjege nastao bi električni impuls.
U usporedbi s drugim biološkim sustavima koje su tadašnji istraživači poznavali, to je bilo iznimno brzo. Svjetlost koja stigne do ljudskog oka pokreće složenu kemijsku lančanu reakciju koja se sastoji od mnogo različitih koraka. Posljednja bjelančevina u tom lancu – ionski kanal – stvara otvor na površini stanice kroz koji mogu strujati nabijeni ioni, čime nastaje električni signal. Cijeli proces traje najmanje 10 milisekundi.
Kako je onda moguće da je odgovor na svjetlost kod algi Chlamydomonas više od dvadeset puta brži nego u našem oku?
Hegemannu je za tu reakciju pala na pamet samo jedno objašnjenje: proces je u algi Chlamydomonas vjerojatno puno jednostavniji nego u ljudskom oku. Vjerojatno postoji jedan proteinski kompleks koji istodobno hvata svjetlost i djeluje kao ionski kanal. Drugi su njegov prijedlog dočekali skepticizmom. U to su vrijeme istraživači već poznavali mnogo različitih vrsta ionskih kanala, ali nijedan nije sam od sebe mogao reagirati na svjetlost.
Da bi provjerio svoju hipotezu, Hegemann je pokušao izolirati bjelančevinu algi Chlamydomonas osjetljivu na svjetlost. Međutim, to je bilo lakše reći nego učiniti. Kad bi se proteini iz očne pjege algi izvadili iz prirodnog okruženja, postajali su nestabilni i lako su se oštećivali, što je otežavalo njihovo proučavanje. No oko prijelaza tisućljeća, nakon godina neuspjeha, istraživačka je skupina došla do zanimljivog otkrića. Japanski stručnjaci kartirali su DNA algi Chlamydomonas i učinili dostupnim genetski kod nekoliko tisuća gena. Među njima je Hegemannova skupina pronašla dva gena koja su pokazivala znatnu sličnost s poznatim genima proteina osjetljivih na svjetlost.
Žabe i bjelančevine
Hegemann je u toj točki stupio u kontakt s kolegom, Georgom Nagelom, suradnikom Instituta Max Planck za biofiziku. Nagel je imao potrebno znanje da poduzme sljedeći presudan korak prema tehnici koja je kasnije revolucionirala neuroznanost.
Nagel je za proučavanje proteina koristio jajne stanice žaba. Kad je dobio dva gena algi Chlamydomonas, njihove je kopije odvojeno ubrizgao u različite skupine žabljih jajnih stanica, koje su zatim u masama počele proizvoditi ta dva nepoznata proteina. Proteini su se nalazili na površini jajnih stanica, u membrani. Nagel je zatim mogao istražiti kako djeluju i brzo je shvatio da je hipoteza koju je Hegemann formulirao desetljeće ranije bila točna: novootkriveni proteini bili su ionski kanali koji su se pod utjecajem svjetlosti otvarali.
Te su bjelančevine nazvane kanalrodopsin-1 (ChR1) i kanalrodopsin-2 (ChR2). Kao i u Hegemannovu pokusu, Nagelova karakterizacija ChR2 pokazala je da protein iznimno snažno i brzo reagira na svjetlosne impulse.
Na svjetlosni podražaj kanal na površini žabljih jajnih stanica otvorio se unutar 0,2 milisekunde, nakon čega su pozitivno nabijeni ioni potekli kroz kanal, što je rezultiralo električnim signalom.
Hegemann i Nagel brzo su shvatili da su došli do vrlo važnog otkrića koje bi se moglo iskoristiti i drugdje. Pokušali su unijeti gen za ChR2 u embrionalne ljudske bubrežne stanice i u bubrežne stanice hrčka. Stanice su postale osjetljive na svjetlost: kad su bile izložene svjetlosti, generirale su električni signal. Hegemann i Nagel objavili su rezultate svog pokusa 2003. Predložili su da se ChR2 može koristiti kao učinkovit alat za generiranje električnih impulsa u stanicama pomoću svjetlosti.
Odlučan neurolog
Sljedeći iskorak zahvaljujemo jednom mladom istraživaču sa Stanforda. Kad je Karl Deisseroth 1990-ih počeo studirati medicinu, spremao se postati neurokirurg, ali dio izobrazbe odradio je na psihijatrijskoj klinici, gdje je na njega snažan dojam ostavila patnja bolesnika. Tada je počeo razmišljati o tome kako mozak može funkcionirati tako različito kod različitih ljudi. Zašto je osjećaj radosti tako težak depresivnim osobama? Što uzrokuje autizam ili shizofrene zablude?
Naposljetku je doktorirao neuroznanost, a u istraživanjima je u laboratoriju proučavao tanke isječke mozga u Petrijevim zdjelicama. I ta su istraživanja dovela do važnih spoznaja, ali brzo je shvatio da, kako bi razumio stvarne bolesti, mora proučavati i kako živčane stanice funkcioniraju u živom mozgu.
I drugi su istraživači radili na razvoju metoda koje omogućuju regulaciju aktivnosti određenih živčanih stanica na način koji je predložio Francis Crick. Mnogi od njih ipak su se bojali da gube vrijeme i novac na nešto što djeluje kao nerealan san. Deisseroth je međutim odlučio riskirati: liječenja koja je mogao ponuditi svojim pacijentima rijetko su bila učinkovita i često su uzrokovala teške nuspojave. Odlučio je da, ako želi pronaći bolje terapije, mora znati više o mozgu.
Kad je Deisseroth osnovao vlastitu istraživačku skupinu, počeli su tražiti proteine kojima bi mogli izazivati električne impulse u živčanim stanicama.
Upravo su testirali nekoliko kandidata kad je Deisseroth prvi put čuo za otkriće ChR2. Brzo je stupio u kontakt s Georgom Nagelom i upitao ga može li dobiti DNA koja kodira taj protein.
Kad je DNA stigla u Deisserothov laboratorij, istraživač ju je unio u živčane stanice štakora uzgojene u Petrijevim zdjelicama. Isprva se bojao da će strani gen negativno utjecati na osjetljive živčane stanice, no one su bez ikakvih problema počele proizvoditi ChR2. Kad je istraživačka skupina izložila živčane stanice plavoj svjetlosti, one su odmah reagirale. Svjetlost je izazvala živčani signal koji se mogao proširiti na druge živčane stanice.
Deisserothova je istraživačka skupina rezultate objavila 2005. Dosegnuli su presudni miljokaz, iako je Deisseroth bio svjestan da ga čeka još dug put do cilja: kontrole aktivnosti živčanih stanica u živim životinjama.
Strah na daljinsko upravljanje
Karl Deisseroth pokrenuo je brojne suradnje, među ostalim i s Peterom Hegemannom i Georgom Nagelom. Svoje je otkriće podijelio i s drugim stručnjacima, koji su prepoznali golem potencijal. Ubrzo je otkriven niz novih proteina koji mogu uključivati i isključivati živčane stanice, a aktiviraju ih svjetlosni signali različitih valnih duljina.
Nova metoda 2006. dobila je naziv optogenetika. Godinu dana kasnije Deisseroth je uspješno aktivirao živčane stanice u mozgu živih miševa. Njegova je skupina unijela gen za ChR2 u određenu vrstu živčanih stanica motoričkog korteksa, a zatim je živčane stanice osvijetlila pomoću tankog optičkog vlakna uvedenog kroz lubanju.
To im je omogućilo da kontroliraju pokrete miševih brkova.
Iste je godine Deisseroth u suradnji s drugim istraživačima pomoću optogenetike na kontrolirani način probudio usnule miševe. Istraživačka skupina unijela je ChR2 u nedavno otkrivenu vrstu živčanih stanica za koju se pretpostavljalo da regulira budnost. Kad je svjetlost usmjerena na živčane stanice, miševi su se probudili, čime je hipoteza potvrđena.
Još jedan poznati rad iz ranog razdoblja optogenetike objavljen je 2012. Susumu Tonegawa i Deisseroth uspješno su aktivirali engram, odnosno trag sjećanja, to jest specifičan uzorak živčanih putova koji nastaje pri stvaranju sjećanja. Istraživači su proučavali mozak miševa dok su ti proživljavali strah i promatrali koje živčane stanice djeluju pri oblikovanju sjećanja na to iskustvo.
Kad su kasnije ponovno aktivirali te živčane stanice, miševi su pokazivali znakove straha, iako u tom trenutku nisu bili ugroženi.
To je bio prvi pokus u kojem su istraživači mogli točno dokazati koje su živčane stanice potrebne za određeno sjećanje.
Novo doba u neuroznanosti
Sposobnost da se u mozgu sada mogu ciljano aktivirati pojedine vrste živčanih stanica iz temelja je promijenila razumijevanje tog nevjerojatnog organa. U odraslom ljudskom mozgu nalazi se oko 90 milijardi živčanih stanica, od kojih svaka stvara tisuće veza s drugim živčanim stanicama. U mnogim slučajevima put koji polazi od jedne živčane stanice seže do posve drugog područja mozga, dok živčane stanice koje upravljaju posve različitim tjelesnim funkcijama mogu biti tijesno isprepletene.
Pomoću optogenetike istraživači sada mogu precizno utvrditi koje živčane stanice u složenom živčanom snopu upravljaju različitim funkcijama mozga. Primjerice, utvrdili su živčane krugove koji upravljaju percepcijom boli, društvenim ponašanjem, žeđu, uzimanjem hrane, nagrađivanjem i pažnjom. Osim toga, otkrili su i živčane stanice odgovorne za raznolike funkcije, od regulacije cirkadijanog ritma do nastanka vrućice pri aktivaciji imunološkog sustava.
Proučavajući složenije oblike ponašanja, istraživači su otkrili i da različite elemente ponašanja mogu kontrolirati zasebni živčani krugovi. Jedan krug, primjerice, regulira kako miševi skupljaju svoje mladunce u gnijezdu, a drugi kako se brinu o njima.
Optogenetika se može koristiti i za kartiranje staničnih funkcija izvan živčanog sustava i mozga. Deisseroth je dokazao da rad srca može utjecati na naše emocije: ako je srce prisiljeno raditi jače, to može pojačati osjećaj tjeskobe. Drugi su istraživači u crijevima utvrdili specifične stanice koje bi mogle objasniti zašto neki ljudi radije jedu šećer nego zaslađivače – a to je samo jedan od mnogih primjera.
***
Stručnjaci se iskreno nadaju da će spoznaje stečene optogenetikom dovesti do novih medicinskih liječenja, a to se već počelo ostvarivati. Metoda je pružila dublje razumijevanje obilježja psihijatrijskih i neuroloških poremećaja poput depresije, tjeskobe, shizofrenije, Alzheimerove i Parkinsonove bolesti.
Istraživači su poduzeli i prve korake prema primjeni optogenetike kao medicinskog liječenja. Već su u tijeku klinička ispitivanja čiji je cilj vratiti vid osobama koje su oslijepile zbog retinitis pigmentosa, bolesti koja uništava štapićaste i čunjićaste stanice oka.
Kad je u mrežnicu takvog bolesnika unesen protein sličan ChR2, ta je osoba djelomično povratila vid. Pomoću posebnih naočala koje emitiraju svjetlost mogla je razlikovati i uhvatiti čak i predmete na stolu.
Postoji nada i da bi optogenetika mogla poboljšati rad kohlearnih implantata. Ti trenutačno električnom strujom stimuliraju slušni živac. Kad bi se umjesto toga mogla primijeniti optogenetika, implantat bi mogao aktivirati slušni živac s većom preciznošću.
