Controllo del cervello con la luce: è possibile con l'optogenetica

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Gli scienziati medici studiano il cervello da oltre cinquecento anni e, dopo tutto quel tempo, l'organo enigmatico conserva ancora molti segreti. Infine, negli ultimi anni, sta emergendo una nuova tecnica chiamata "optogenetica", che può aiutare gli scienziati a svelare i segreti del cervello (e trattare i suoi disturbi) in un modo completamente nuovo.

Perché abbiamo bisogno dell'optogenetica?

In molti modi, è sorprendente che i farmaci psichiatrici funzionino affatto. Lo stato dell'arte - la migliore scienza moderna in grado di fare - equivale a immergere il cervello in un bagno chimico e sperare che faccia l'unica cosa a cui siamo interessati. E... in un certo senso funziona! A volte.

Esistono farmaci molto potenti per il trattamento della depressione, del DOC, del disturbo bipolare e del morbo di Parkinson. Sono spesso pieni di spiacevoli effetti collaterali. I farmaci che funzionano bene sono stati spesso scoperti nient'altro che prove ed errori. In molti casi, gli scienziati non hanno una comprensione dettagliata di come funziona il cervello per raggiungere la normale funzione - o come funziona quando non funziona correttamente. Queste lacune di conoscenza sono difficili da affrontare attraverso i modi tradizionali di studiare il cervello e limitano la capacità di sviluppare terapie efficaci.

Ciò che psichiatri e neurologi vorrebbero davvero è l'accesso totale in lettura e scrittura al cervello: la capacità di entrare nella testa di qualcuno ed eccitare o sopprimere gruppi arbitrari di neuroni, con una risoluzione a singolo neurone, permettendoci di isolare le popolazioni che sono disfunzionali e correggere il loro comportamento in tempo reale. Sfortunatamente, aprire la testa di qualcuno e far passare i fili verso ogni neurone non è pratico.

La promessa dell'optogenetica è che potrebbe effettivamente consentire ai medici di ottenere qualcosa di simile a quel tipo di accesso.

Come gli scienziati usano la luce per controllare il cervello

Ecco come funziona: in primo luogo, i ricercatori iniettano al soggetto un virus geneticamente modificato, progettato per infettare il tessuto cerebrale. Centinaia di miliardi di copie del virus inondano il cervello, iniettando i loro carichi utili nelle cellule nervose mentre le incontrano.

Questi virus non sono dannosi: invece di fornire un payload dannoso e autoreplicante, questi virus sono stati progettati da gli scienziati a fornire un filamento di DNA benigno che codifica per proteine ​​di superficie speciali che rispondono a specifiche lunghezze d'onda della luce. I virus servono semplicemente come siringhe usa e getta per fornire il DNA speciale alle cellule.

I neuroni incorporano questo DNA speciale e, se le condizioni sono giuste, esprimono le proteine ​​di superficie che le causano il fuoco quando stimolato con la luce - gli stessi tipi di proteine ​​utilizzate dalle cellule retiniche umane per rilevare la luce e la forma immagini. Modificando il DNA per essere più esigenti quando si esprime, gli scienziati possono scegliere quali tipi di neuroni (ci sono migliaia di varietà) esprimono le proteine ​​di superficie e risponderanno alla luce.

Quindi, controllando attentamente dove viene illuminata la luce sul cervello, le posizioni specifiche che vengono stimolate o depressi possono essere controllati con precisione sub-millimetrica, un grado di controllo che non è mai stato in precedenza possibile. Ancora meglio, molte aree del cervello possono essere colpite senza la necessità di tagliare o infilare i fili attraverso la materia cerebrale, rendendo la procedura molto più sicura rispetto alle forme convenzionali di stimolazione cerebrale.

Secondo Ed Boyden, professore di bioingegneria e neuroscienze al MIT,

Se riesci a controllare le cellule del cervello, puoi capire qual è il loro potere, cosa possono influenzare - e, inoltre, se puoi controllare le cellule del cervello che può correggere stati cerebrali aberranti e puoi creare nuovi tipi di terapia, rielaborando i calcoli che sono andati male in un neurologico o psichiatrico disturbo

Puoi guardare una lezione abbastanza tecnica (ma estremamente interessante) sulle tecniche e sulla metodologia di seguito:

Cosa puoi fare con l'optogenetica?

Immagina che un ricercatore voglia capire meglio come funziona la depressione. Quindi, il ricercatore raccoglie alcuni topi depressi (non chiedere come i ricercatori creano topi depressi, che non vuoi sapere) e inizia i test.

Controllano diversi tipi di neuroni e diverse regioni del cervello e vedono cosa succede quando si stimolano o deprimono quelle aree e quei tipi di neuroni. Alcuni gruppi sperimentali diventano più felici - altri diventano più depressi: la maggior parte non lo fa. Restringendo quali popolazioni sono correlate e come influenzano il risultato, il ricercatore costruisce lentamente una mappa funzionale profonda e dettagliata del cervello: isolando i meccanismi della gioia.

Questo è il tipo di esperimento abilitato dall'optogenetica e offre agli scienziati una comprensione più profonda delle diverse funzioni mentali e dei modi in cui possono sbagliare.

L'optogenetica ha già portato ad alcune interessanti intuizioni sulle allucinazioni uditive della schizofrenia. Secondo il dott. Karl Deisseroth dell'Università di Stanford, è vero ora sembra probabile che le voci sono, infatti, componenti normali del monologo interno interpretate erroneamente come influenza esterna.

“Potrebbe essere una versione poco riconosciuta dei pensieri interni. In qualche modo le informazioni che un pensiero proviene realmente da se stessi sono perse. È visto come una cosa straniera, una voce che parla. [...] [Prima dell'optogenetica] non c'era modo di saperlo perché non c'era modo di controllare selettivamente [le cellule] sulla scala temporale corretta. "

Questo tipo di approfondimenti sono scientificamente importanti e potrebbero portare a migliori farmaci e terapie, oltre a rispondere a antichi misteri su la natura della coscienza e dell'intelligenza Macchine pensanti: ciò che la neuroscienza e l'intelligenza artificiale possono insegnarci sulla coscienzaLa costruzione di macchine e software artificialmente intelligenti può insegnarci sul funzionamento della coscienza e sulla natura della mente umana stessa? Leggi di più .

Nel prossimo futuro, i dottori potrebbero essere in grado di prendere le informazioni che ottengono da questi esperimenti, rigirarle, e utilizzare l'optogenetica su pazienti reali per influenzare le attività neurologiche che stanno contribuendo depressione. L'optogenetica consente ai medici non solo di studiare il cervello, ma anche di alterarlo con una precisione molto maggiore di quanto fosse possibile in precedenza.

Costruire un cappello Sanity

Sfortunatamente, probabilmente non è possibile utilizzare l'optogenetica sull'uomo in modo non invasivo. Il cranio è semplicemente troppo spesso, quindi è necessario alimentare i cavi in ​​fibra ottica attraverso di esso. Si tratta di un intervento chirurgico importante e presenta rischi associati, al di là di ciò che è normalmente coinvolto nell'inizio di un corso di farmaci psichiatrici.

Tuttavia, le terapie in questione hanno il potenziale per essere molto più efficaci e avere meno effetti collaterali, quindi probabilmente ne varrà la pena per molti pazienti. Sono già state fatte ricerche sull'uso dell'elettrico pacemaker cerebrali per il trattamento della depressione gravee i risultati sono molto promettenti. Le future terapie basate sull'optogenetica saranno probabilmente meno invasive e più efficaci: una volta che il cervello sarà truccato in una posizione corretta cavi in ​​fibra ottica, forse inseriti attraverso il naso per evitare la rottura del cranio, il resto dell'hardware può essere riposto esternamente, per una facile accesso. L'impianto stesso (i cavi in ​​fibra ottica e i diodi laser) avrebbe bisogno solo di energia e di un segnale di controllo, cose che un giorno potrebbero essere fornite in modalità wireless.

Il resto dell'hardware (il computer, la batteria e così via) potrebbe essere potenzialmente indossato esternamente, consentendo al medico del paziente di riprogrammarlo secondo necessità, senza richiedere ulteriori interventi chirurgici.

Oltre a correggere le malattie mentali, l'optogenetica offre anche un modo molto più biocompatibile e meno invasivo di agire direttamente stimolare le cellule nervose nel cervello e nel corpo rispetto agli elettrodi impiantati convenzionali, che farebbero molto fabbricazione impianti per migliorare le prestazioni in stile transumanista Collegare il cervello e il corpo: il futuro dei computer impiantatiCon l'attuale tendenza dell'innovazione e del progresso tecnico, ora è un buon momento per esplorare lo stato dell'arte delle tecnologie informatiche umane. Leggi di più più pratico.

Per essere chiari, questo è ancora molto lontano: l'optogenetica è uno strumento di ricerca ampiamente utilizzato in questo momento (abbiamo esperimenti coperti usando prima L'esperimento di memoria leggera colpisce i cervelli di topi come un neuronezer MIBRicordi quando Will Smith e Tommy Lee Jones usarono il neuralyzer per cancellare i ricordi delle persone? Bene, i ricercatori della UC Davis hanno "cancellato con successo ricordi specifici" all'interno dei topi usando la luce. Leggi di più ). Tuttavia, il suo ruolo di terapia clinica è distante almeno un decennio o due e potrebbe essere sostituito da altre tecniche che possono fornire risultati simili in modo meno invasivo.

Tuttavia, la prospettiva è entusiasmante e alcune applicazioni potrebbero arrivare prima. Ad esempio, lo è possibile utilizzare l'optogenetica per costruire impianti cocleari migliori con una precisione molto maggiore.

Non è tutto davvero spaventoso?

Alcuni di voi che leggono questo stanno già attorcigliando i cappelli di stagnola attorno alle orecchie, e questo è del tutto giusto: questo tipo di accesso al cervello è senza precedenti, al di fuori di una certa marca di scienza isterica finzione. Vale la pena discutere il potenziale di abuso.

Se riesci ad esercitare un controllo sufficiente sul cervello per correggere la depressione, la schizofrenia e i disturbi della personalità, potresti farlo anche essere in grado di esercitare un controllo sufficiente per riprogrammare l'orientamento sessuale di qualcuno - o lobotomizzare i bambini turbolenti e prigionieri. Il rischio che i genitori provino a usare tale tecnologia per forzare i cambiamenti di identità sui loro figli è uno che solleva preoccupazioni etiche completamente nuove che la medicina affronterà per la prima volta mai.

Oltre a ciò, da una semplice prospettiva di sicurezza informatica, molti dispositivi medici moderni non sono abbastanza sicuri e possono essere hackerati, in alcuni casi in modalità wireless. Questo tipo di compromesso è abbastanza spaventoso con un pacemaker, ma diventa davvero terrificante se consideri la prospettiva che un attaccante potrebbe (potenzialmente) scappare nella tua testa senza permesso.

Gli scienziati che lavorano su queste terapie non sono inconsapevoli di questi problemi. Karl Deisseroth, nella stessa intervista citata sopra, ha sollevato lo stesso punto:

“La specificità dell'optogenetica solleva la questione di come si possa modificare un cervello per creare davvero un individuo con esigenze, desideri, priorità, sentimenti [...] diversi c'è anche un aspetto inquietante, che solleva questioni di libero volere."

Tuttavia, queste preoccupazioni impallidiscono rispetto all'enorme numero di persone che soffrono orribilmente di malattie psichiatriche attualmente non curabili che l'optogenetica ha il potenziale per aiutare. Questa tecnologia è più utile di quanto sia pericolosa e, essendo sviluppata nei prossimi decenni, può cambiare radicalmente la natura della terapia della salute mentale.

Cosa pensi? Spaventoso, bello o da qualche parte nel mezzo? L'optogenetica ha il potenziale per aiutarti, personalmente? Fateci sapere nei commenti!

Credito immagine: neuroni Via Shutterstock, "Carta stagnola," di Russ Walker