Hjärnkontroll med ljus Det är möjligt med optogenetik

Medicinska forskare har studerat hjärnan i mer än femhundra år - och efter denna tid håller det gåtafulla orgeln fortfarande gott om hemligheter. Slutligen, under de senaste åren, ringde en ny teknik “optogenetik” uppstår, vilket kan hjälpa forskare att riva upp hjärnans hemligheter (och behandla dess störningar) på ett helt nytt sätt.

Varför behöver vi optogenetik?

På många sätt är det fantastiskt att psykiatrisk medicin fungerar alls. Teknikens toppmodern - den allra bästa moderna vetenskapen kan göra - innebär att man sänker hjärnan i ett kemiskt bad och hoppas att det gör det som vi är intresserade av. Och ... det är ett slags verk! Ibland.

Det finns läkemedel som är mycket kraftfulla för behandling av depression, OCD, bipolär sjukdom och Parkinsons sjukdom. De är ofta riddled med obehagliga biverkningar. De mediciner som fungerar bra upptäcktes ofta av ingenting annat än försök och fel. I många fall har forskare inte en detaljerad förståelse för hur hjärnan fungerar för att uppnå normal funktion - eller hur det fungerar när det fungerar. Dessa kunskapsbrister är svåra att hantera genom traditionella sätt att studera hjärnan och begränsa förmågan att utveckla effektiva terapier.

Vilka psykiatriker och neurologer verkligen vill ha är total läs-skriv-åtkomst till hjärnan: förmågan att nå in i någons huvud och excitera eller undertrycka godtyckliga grupper av neuroner, med enkel neuronupplösning, så att vi isolerar de populationer som är dysfunktionella och korrigerar deras beteende i realtid. Tyvärr är det inte opraktiskt att spricka någons huvud, öppna och löpande ledningar till varje neuron.

Löftet om optogenetik är att det faktiskt kan låta läkare uppnå något nära den typen av åtkomst.

Hur vetenskapsmän använder ljus för att kontrollera hjärnan

Så här fungerar det: för det första sprider forskare ämnet med ett genetiskt konstruerat virus, som är utformat för att infektera hjärnvävnad. Hundratals miljarder kopior av viruset översvämmer hjärnan, injicerar deras nyttolast i nervceller när de stöter på dem.

Dessa virus är inte skadliga: i stället för att leverera en skadlig, självreplikerande nyttolast har dessa virus konstruerats av forskare för att leverera en godartad DNA-sträng som kodar för speciella ytproteiner som svarar mot specifika våglängder av ljus. Virusen tjänar helt enkelt som engångssprutor för att leverera special DNA till cellerna.

Neuronerna införlivar detta speciella DNA, och om förhållandena är rätt, uttrycka ytproteiner som får dem att elda när de stimuleras med ljus - samma typer av proteiner som används av mänskliga retinala celler för att upptäcka ljus och bildformat. Genom att förändra DNA: n för att vara pickier om när det uttrycker sig kan forskare välja vilka typer av neuroner (det finns tusentals sorter) som uttrycker ytproteinet och kommer att reagera på ljuset.

Därefter styrs de specifika ställen som stimuleras eller deprimeras med noggrann kontroll, med en noggrann kontroll, som aldrig tidigare varit möjligt. Ännu bättre kan många områden i hjärnan påverkas utan att behöva skära in eller tråden genom hjärnans materia, vilket gör förfarandet mycket säkrare än konventionella former av hjärnstimulering.

Enligt Ed Boyden, professor i bioengineering och neurovetenskap vid MIT,

Om du kan kontrollera celler i hjärnan kan du räkna ut vad deras makt är, vad de kan påverka - och även om du kan styra celler i hjärnan kan du fixa avvikande hjärnstater och du kan skapa nya typer av terapi , resculpting de beräkningar som har gått fel i en neurologisk eller psykisk störning

Du kan titta på en ganska teknisk (men extremt intressant) föreläsning om tekniker och metodik nedan:

Vad kan du göra med optogenetik?

Föreställ dig att en forskare vill bättre förstå hur depression fungerar. Så samlar forskaren några deprimerade möss (fråga inte hur forskare skapar deprimerade möss, du vill inte veta) och börjar testa.

De kontrollerar olika typer av neuroner och olika regioner i hjärnan och ser vad som händer när du stimulerar eller deprimerar dessa områden och de slags neuroner. Vissa experimentella grupper blir lyckligare - vissa blir mer deprimerade: de flesta gör inte heller. Genom att begränsa vilka populationer som är relaterade, och hur de påverkar resultatet, bygger forskaren långsamt en djup, detaljerad funktionell karta över hjärnan: isolera glädjebrukarna.

Detta är den typ av experiment som optogenetik möjliggör, och det står att ge forskare en djupare förståelse för olika mentala funktioner och de sätt att de kan gå fel.

Optogenetiken har redan lett till några intressanta potentiella insikter i de hörselhalsucineringar av schizofreni. Enligt doktor Karl Deisseroth vid Stanford University verkar det nu troligt att rösterna är i själva verket de normala komponenterna i den inre monologen felstolkas som yttre påverkan.

“Det kan vara en dåligt erkänd version av interna tankar. På något sätt förloras den information som en tanke verkligen kommer ifrån sig själv. Det ses som en främmande sak, en röst talande. [...] [Före optogenetik] fanns det inget sätt att känna till detta eftersom det inte fanns något sätt att selektivt kontrollera [cellerna] på rätt tidsskala.”

Dessa typer av insikter är vetenskapligt viktiga och kan leda till bättre droger och terapier, samt att svara på antika mysterier om medvetandet och intelligensens natur. Tänkande maskiner: Vad neurovetenskap och artificiell intelligens kan lära oss om medvetenhet Tänkande maskiner: Vad Neurovetenskap och Artificiell Intelligens kan lära oss om medvetenhet Kan man bygga konstgjorda intelligenta maskiner och programvaror lär oss om medvetandet och det mänskliga sinnets natur? Läs mer .

I den närmaste framtiden kan läkare kunna ta med de insikter de får från dessa experiment, vända dem och använda optogenetik på de faktiska patienterna för att påverka de neurologiska aktiviteter som bidrar till depression. Optogenetics gör det möjligt för läkare inte bara att studera hjärnan utan även att ändra den med mycket större precision än vad som tidigare varit möjligt.

Bygga en Sanity Hat

Tyvärr är det förmodligen inte möjligt att använda optogenetik på människor icke-invasivt. Skallen är helt enkelt för tjock, så det är nödvändigt att mata fiberoptiska kablar genom den. Detta är en stor operation och har risker förknippade med det, utöver vad som normalt är inblandat i att påbörja en kurs av psykiatrisk medicinering.

De aktuella terapierna har dock potential att vara mycket effektivare och få färre biverkningar, så det kommer sannolikt att vara värt det för många patienter. Det har redan forskats om att använda elektriska hjärnpacemakers för att behandla allvarlig depression, och resultaten är mycket lovande. Framtida terapier baserade på optogenetik kommer sannolikt att vara mindre invasiva och effektivare: när hjärnan är riggen med ordentligt placerade fiberoptiska kablar, kanske införda genom näsan för att undvika att bryta skallen, kan resten av hårdvaran lagras externt för att lätt tillgång. Implantatet i sig (fiberoptiska kablar och laserdioder) skulle bara behöva ström och en styrsignal, saker som en dag skulle kunna tillhandahållas trådlöst.

Resten av hårdvaran (datorn, batteriet osv.) Kan eventuellt bäras externt, så att patientens läkare kan omprogrammera det efter behov utan att behöva ytterligare kirurgi.

Utöver korrigering av psykisk sjukdom ger optogenetik också ett mycket mer biokompatibelt och mindre invasivt sätt att direkt stimulera nervceller i hjärnan och kroppen än konventionella implanterade elektroder, vilket skulle gå långt för att göra transhumanistiska prestationsförbättrande implantat. Plugging In Your Brain och kropp - Framtiden för implanterade datorer som pluggar i din hjärna och kropp - Framtiden för implanterade datorer Med den nuvarande utvecklingen av teknisk innovation och framsteg, är det nu dags att utforska den senaste tekniken inom dator-mänsklig teknik. Läs mer mer praktiskt.

För att vara tydligt är detta fortfarande långt borta: optogenetik är ett allmänt använt forskningsverktyg just nu (vi har täckt experiment som använder det innan ljusminnesexperimentet påverkar mushjärnor som ett MIB Neuralyzer Light Memory Experiment påverkar mushjärnor som en MIB Neuralyzer Kom ihåg när Will Smith och Tommy Lee Jones använde neuralyzer för att radera människors minnen? Nå har forskare i UC Davis framgångsrikt "raderat specifika minnen" hos mus med ljus. Läs mer). Men dess roll som en klinisk terapi är minst ett decennium eller två bort och kan väl ersättas av andra tekniker som kan ge liknande resultat mindre invasivt.

Framtiden är dock spännande, och vissa applikationer kan komma tidigare. Det är till exempel möjligt att använda optogenetik för att bygga bättre cochleära implantat med mycket större precision.

Är inte allt detta verkligen skrämmande?

Några av dig som läser detta drar redan dina tinfoilhattar tättare runt öronen, och det är helt rättvist: Den här typen av åtkomst till hjärnan är oöverträffad, utanför ett visst märke av hysterisk science fiction. Potentialen för missbruk är åtminstone värt att diskutera.

Om du kan utöva tillräcklig kontroll över hjärnan för att åtgärda depression och schizofreni och personlighetsstörningar kan du också utöva tillräcklig kontroll för att omprogrammera någons sexuell läggning - eller lobotomera robusta barn och fångar. Riskerna med att föräldrar försöker använda sådan teknik för att tvinga förändringar av identitet på sina barn är en som öppnar helt nya etiska problem som medicinen kommer att hantera för första gången någonsin.

Utöver det, från ett enkelt datasäkerhetsperspektiv, är många moderna medicinsk utrustning helt enkelt inte tillräckligt säkra och kan hackas, i vissa fall trådlöst. Den typen av kompromiss är skrämmande med en pacemaker, men det blir väldigt skrämmande när man överväger utsikten att en angripare kan (kanske) apa runt inuti ditt huvud utan tillstånd.

Forskarna som arbetar med dessa terapier är inte omedvetna om dessa problem. Karl Deisseroth, i samma intervju som citerade ovan, tog upp samma punkt:

“Specificiteten av optogenetiken ställer frågan om hur exakt man kan tweak en hjärna för att verkligen skapa en individ med olika behov, önskemål, prioriteringar, känslor [...] det är också en störande aspekt som väcker frågor om fri vilja.”

Fortfarande är dessa bekymmer blekta i jämförelse med det enorma antalet människor som fruktansvärt drabbas av nuvarande obehagliga psykiatriska sjukdomar som optogenetik har potential att hjälpa till. Denna teknik är mer användbar än den är farlig och, som den utvecklats under de kommande årtiondena, kan radikalt ändra arten av mentalvårdsterapi.

Vad tror du? Läskigt, coolt eller någonstans däremellan? Har optogenetics potential att hjälpa dig personligen? Låt oss veta i kommentarerna!

Bildkredit: Neuroner Via Shutterstock, “Aluminium folie,” av Russ Walker

Utforska mer om: Bionic Technology, Geeky Science.