Optogenetika: kaip biologai smegenyse rado įniršio mygtuką ir kam jį reikia spausti

Laboratorinės pelės – taikūs gyvūnai, tačiau šviežiame biologijos žurnalo Cell straipsnyje pasakojama, kaip vienu mygtuko paspaudimu galima jas paversti berserkais. Štai, kaip tai atrodo: pelės taikiai dalinasi narveliu su žiogu, tačiau mokslininkas paspaudžia mygtuką – ir žiogas kaipmat suryjamas. Į pelės galvą atvestas šviesolaidis, kuriuo perduodamas lazerio impulsas į migdolinį kūną – nedidelę, migdolo riešuto formos smegenų sritį. Manoma, ji reguliuoja baimę ir prislėgtą nuotaiką. Sensacija čia ta, kad, pasirodo, plėšrumas ir baimė sugyvena viename mažutėliame nervinio audinio skyrelyje (žmogaus migdolinis kūnas tesveria porą gramų). „Baimės centras“ tuo pat metu scena sudėtingam reakcijų orkestrui, verčiančiam sekti, vytis, laikyti ir sučiaupti nasrus ant tokio galo visiškai nesitikinčios aukos kaklo.

Mokslininkai, kaip nesunku nuspėti, peles vivariume laikė ne vien tam, kad galėtų padaryti tokią išvadą. Neurologus labiausiai domino molekuliniai jungikliai, kurie buvo įmontuoti į nervų ląsteles, kad jos reaguotų į lazerio spindulį. Šie jungikliai – specialūs šviesai jautrūs baltymai, opsinai, giminingi žmogaus tinklainėje esančiam rodopsinui, dėl kurio galime matyti prietemoje, nors ir nespalvotai. „Naktį visos katės pilkos“ – čia apie jo veikimą.

Mokslininkai naudojo optogenetikos metodą, kuris paremtas dešimtimis Nobelio premijomis įvertintų atradimų: čia ir 2014 metais Nobelio fizikos premija apdovanoti žydrieji lazeriai, 2012 metų Nobelio chemijos premija apdovanoti GPCR-receptoriai, ir 2008 Nobelio premijos chemijos srityje nusipelnęs žalias fluorescencinis baltymas. Ir, žinoma, genų inžinerija: opsiną nervinėse pelių ląstelėse gamina genas, kadaise aptiktas vienaląsčiuose dumbliuose ir kurį išmokta įterpti į žinduolių DNR.

Prieš aiškinantis, kodėl tai svarbu ne tiek graužikams, kiek žmonių medicinai, galima stabtelėti ir pasikapstyti atmintyje: kažkas panašaus jau buvo senų senovėje. Pavyzdžiui, eksperimentas su prijungtais prie žiurkių malonumo centro laidais, kuriais, – kad ir ne lazeriu, o elektra, – jie buvo stimuliuojami, atliktas dar tolimais 1954 metais. Bet kurio pasakojimo apie šį eksperimentą būtina detalė: kai rankenėlių, kuriomis pasiunčiama iškrova į smegenis, valdymas būdavo patikimas pačioms žiurkėms, jos negalėdavo sustoti, atsisakydavo maisto ir galiausiai nugaišdavo.

Tai prisimenant, Cell naujiena atrodo ne tokia jau ir revoliucinga. Srovė ar lazeris – koks gi galų gale skirtumas, jei komandas smegenims mokėta siuntinėti jau prieš 63 metus?

Skirtumas yra ir jis ne menkesnis, nei skirtumas tarp kirvio ir skalpelio. Elektros iškrova – grubus instrumentas: tai nelyginant daugybės milijonų šalia elektrodo atsidūrusių smegenų ląstelių kiliminis bombardavimas. Jei smegenys, kaip politinis pasaulio žemėlapis, būtų aiškiai padalintas į atskiras sritis – štai vingis, kuriame gyvena meilė futbolui, o štai čia saugomi atsiminimai apie mokslus universitete, – tai „kiliminis bombardavimas“ reikiamu laiku reikiamoje vietoje suteiktų neprilygstamą sąmonės kontrolę.

Bėda tik, kad smegenys panašesnės į supainiotų laidų gniutulą, nei į žemėlapį. Klausti, kur čia „pokalbių centras“ ar „paveikslėlių centras“ beprasmiška. Ši mintis tampa akivaizdi, pažiūrėjus smegenų ryšių 3D rekonstrukciją. Netgi kabant apie atskirą neuroną, sudėtinga nurodyti kur konkrečiai jis yra: jų maži kūnai ir ilgos ataugos – aksonai, kartis nutįsusios per pusę galvos.

Todėl šiuolaikiniuose neurobiologijos vadovėliuose jokio „malonumo centro“ nėra: taip, 1954 metais iš tiesų eksperimentatoriams pavyko pataikyti elektrodu į svarbų sistemos perdavimo mazgą, atsakingą už malonumo jausmą, – tik štai toji sistema išsibarsčiusi po visas smegenis. Jame dalyvauja ir prefrontalinė didžiųjų pusrutulių žievė, ir dopamino, „atlygio neuromediatoriaus“, šaltinis, pasislėpęs giliai vidurinių smegenų limbiniame branduolyje, ir tas pats migdolinis kūnas.

Naudojant optogenetiką, galima šią painiavą ištirti. Ja galima, tarkime, pašviesti į tankų gniužulą iš susipynusių nervinių gijų, besidriekiančių skirtingus smegenų galus, ir viena iš jų pasiųsti signalą. Genus į nervų ląsteles galima įmontuoti pasirinktinai – pavyzdžiui, užkrečiant virusu,galinčiu prasiskverbti tik į vienos rūšies neuronus (šiuo atveju virusas naudojamas kaip nekalta naudingo geno pristatymo priemonė). Tačiau svarbiausia optogenetikoje – galimybė sekti smegenų zonų tarpusavio bendravimą. Pavyzdžiui, įdiegti jautrumo šviesai geną tame smegenų taške, o paskui lazerio blyksniais atsekti, ar toli slepiasi kūnai ląstelių, kurių ataugos siekia šį tašką. Nature Review Neuroscience žurnalas jau prieš keletą metų publikavo keletą tokių optogenetinių triukų schemų.

Pelių atveju, šiais triukais jau galima subtiliai veikti sąmonės veikimą: sukelti troškulio jausmą, slopinti kokaino priklausomybę, atsiminimus ištrinti arba sukurti netikrus. Gyvūnų baime ar agresija domimasi ne atsitiktinai: tie patys biocheminiai mechanizmai, kurie valdo pelę, žmonėms gali sukelti depresiją ar potrauminį sindromą, verčiantį karinių konfliktų veteranus nei iš šio nei iš to išeiti pasivaikščioti į taikų miestelį su automatiniu ginklu.

Žinoma, psichologus ir psichiatrus – žmonių, ne pelių – tokia galimybė labai vilioja. Tačiau vargu ar kuris nors sveiko proto siūlys su žmonėmis atlikti tai, kas daroma su pelėmis: gręžti kaukolę, galvos viduje pritvirtinti šviesolaidį, kuriuo siunčiamas lazerio impulsas, prieš tai dar genetiškai modifikavus smegenų ląsteles. Bandymai su pelėmis suteikia ne tokią akivaizdžią galimybę – išsiaiškinti, ką ir kaip gydyti. Mygtuko, kurį galima nuspausti, vaidmenį gali atlikti ne tik lazerio spindulys – medikų arsenale yra vaistai ir švelnaus fizinio neuronų veikimo instrumentai, pavyzdžiui, transkranialinė magnetinė stimuliacija. Tačiau bandymai su lazeriu, ypač išaiškinantys tolimas ir neakivaizdžias smegenų zonų tarpusavio sąveikas, gali pasufleruoti, kokiame taške reikia timptelėti mikroskopinį svertą, kad kitoje smegenų zonoje viskas atsistotų į vietas.

B. Kozlovskis
Colta.ru skyrelio „Mokslas“ redaktorius