Opto-was? Opto-wer? Optogenetik klingt wie dieser beängstigende Wahlkurs, den Sie und Ihre Freunde während Ihres Studiums vermeiden möchten. Aber es ist nicht so schlimm, wie Sie denken. Mit ein bisschen kreativem Denkenund ein paar Science-Fiction-Parallelen, Sie werden schnell verstehen, warum die Optogenetik einer der aufregendsten Bereiche der Wissenschaft und Medizin ist.
An der Oberfläche könnte Optogenetics es Menschen ermöglichen, unser Gehirn mit einer Fernbedienung zu steuern. Wie? Durch Verwendung von Licht. Über diesen "Lichtregler" können Sie einen Knopf drücken, um sich sofort in den Schlaf zu versetzen. Wenn Sie verletzt werden,Sie können die Schmerzrezeptoren in Ihrem Gehirn durch Drücken eines anderen Knopfes auf dem Controller ausschalten oder Ihren Controller verwenden, um die verschiedenen motorischen Funktionen Ihres Körpers zu steuern.
Die wissenschaftliche Technik könnte uns in eine Zukunft führen, in der all dies möglich ist. Diese neuartige Art der "Gedankenkontrolle" könnte zur Behandlung von altersbedingten Gehirnerkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson eingesetzt werden. Sie könnte zur Behandlung eingesetzt werdenBlindheit, Behandlung von Herzfehlern und sogar psychiatrische Erkrankungen ; verspricht, dass einige der gleichen Behauptungen von Elon Musks Neuralink-Projekt parallel sind.
Optogenetik ist keine weit entfernte Idee am Rande der Wissenschaft. Es ist eine Idee, die in der Science-Fiction verwurzelt zu sein scheint. erreichbar Laut jüngster bahnbrechender Forschung wird es bereits von Klinikern und Forschern auf der ganzen Welt verwendet, um das menschliche Gehirn zu untersuchen.
Fortschritte auf diesem neuartigen Gebiet der Neurobiologie und Technik haben den Forschern geholfen, Gehirnsignale zu entschlüsseln, die zu Schmerzen führen, den neuronalen Suchtcode besser zu verstehen, das Sehvermögen blinder Mäuse wiederherzustellen, Erinnerungen neu zu programmieren und neue zu erstellen. Wenn wir es schaffen könnenDie Neurotechnologie, die eingeführt wurde, um die Optogenetik an die Spitze der Wissenschaft zu bringen, könnte die Welt in den kommenden Jahren verändern. Aber wir sind uns selbst voraus.
Was ist Optogenetik?
Lassen Sie uns noch einmal darüber nachdenken. Optogenetik ist die Wissenschaft der Verwendung von Licht zur Steuerung des Verhaltens von Zellen. Derzeit ist es eines der am schnellsten wachsenden Gebiete der angewandten Forschung. Der aufregendste Aspekt der Technologie verspricht diesVerwenden wir verschiedene Frequenzen, um das Gehirn zu steuern.
Die fraglichen Zellen sind in diesem Fall Neuronen. Shelly Fan von Singularity Hub beschreibt es als "Eine brillante Mischung aus grundlegender Neurobiologie und Technik, die den Mechanismus entführt, wie Neuronen im Gehirn auf natürliche Weise aktiviert oder zum Schweigen gebracht werden." Diese angewandte Wissenschaft wird in Labors weltweit eingesetzt und hilft uns, neue aufregende Erkenntnisse zu entdeckenDinge über unseren Verstand.
"Optogenetik ist die Kombination von Genetik und Optik zur Kontrolle genau definierter Ereignisse in bestimmten Zellen lebenden Gewebes. Sie umfasst die Entdeckung und Insertion von Genen in Zellen, die eine leichte Reaktionsfähigkeit verleihen." sagt Scientific American .
"Es umfasst auch die zugehörigen Technologien zur Abgabe von Licht tief in Organismen, die so komplex sind wie frei bewegliche Säugetiere, zur gezielten Lichtempfindlichkeit für interessierende Zellen und zur Bewertung spezifischer Auslesungen oder Effekte dieser optischen Kontrolle."
Sie müssen zuerst die Neuronen verstehen
Neuronen sind die Grundeinheiten des Gehirns und des Nervensystems. Sie sind die Zellen, die dafür verantwortlich sind, sensorische Eingaben von der Welt um uns herum zu erhalten, motorische Befehle an unsere Muskeln zu senden, wenn wir unterwegs sind, und die zu transformieren und weiterzuleiten. elektrische Signale bei jedem Schritt dazwischen . Diese Gehirnzellen sind lebende Vorratsbehälter mit "Türen", die als Ionenkanäle bezeichnet werden.
Diese Türen trennen die Zellen von ihrer inneren Umgebung, die als Barriere von außen fungiert. Wenn ein Neuron eine ausreichend starke Eingabe erhält, öffnen die Zellen ihre "Türen" und erzeugen einen elektrischen Strom, der zu den anderen benachbarten Neuronen verzweigt und kommuniziertInformationen. Auf diese Weise kommunizieren Neuronen und diese Netzwerke erzeugen Erinnerungen, Emotionen und Verhaltensweisen. Optogenetics entführt diesen Prozess.
Wie steuern wir diese Neuronen? Opsine sind der erste Teil der Formel.
Forscher werfen nicht nur ein Licht auf Zellen und hoffen auf das Beste. Erstens müssen die Neuronen "neu gestaltet" werden, um lichtempfindlich zu sein. Gentechnik - der Prozess, bei dem Wissenschaftler die Informationen im genetischen Code eines Lebewesens ändern. In Bezug auf die Optogenetik nehmen Wissenschaftler den genetischen Code der Neuronen, die sie betrachten möchten, und fügen ihm einen neuen Code hinzu.
Wenn dieser neue Code zu den Neuronen des Subjekts hinzugefügt wird, werden spezielle Proteine namens erstellt. Opsine . Abhängig von dem Opsin, das zur Modifikation des Neurons verwendet wird, überträgt es a Nervenimpuls bei Beleuchtung . Ganze Organe, Körperteile und Verhaltensweisen könnten möglicherweise mit dieser Methode kontrolliert werden.
Der Schlüssel zur Erschließung der Leistungsfähigkeit von Optogenetics liegt in der Gentechnik
Opsine kommen auf natürliche Weise vor. Sie wurden zuerst in Algen entdeckt, die diese Proteine verwenden, um sich dem Licht zu nähern. Die Gene für Opsine werden Mäusen in Forschungslabors üblicherweise zugesetzt. Dazu verwenden Wissenschaftler Viren, um den genetischen Code sorgfältig einzufügendes Opsins in den genetischen Code für die Neuronen in der Maus.
Immer noch bei uns? Wenn es richtig gemacht wird, hat jedes Neuron in der Maus das Opsin. Da wir bereits über umfassende Kenntnisse des genetischen Codes der Maus verfügen, können wir auswählen, wo das Opsin platziert werden soll. Wir können unseren Code einem bestimmten Typ zuordnenvon Neuronen oder in einem bestimmten Teil des Gehirns. Dies ermöglicht es uns, genau zu manipulieren, welche Neuronen, die wir kontrollieren wollen .
Eines der beliebtesten Opsine kommt in Grünalgen vor. Dieses als Channelrhodopsin-2 oder ChR2 bezeichnete Opsin wird durch blaues Licht aktiviert, was bedeutet, dass es nur funktioniert, wenn blaues Licht darauf scheint und nicht auf andere Typen reagiertWenn Sie den Neuronen Channelrhodopsin-2 hinzufügen, fungiert blaues Licht als Schalter, der die Neuronen einschaltet. Selbst nach alledem sind wir immer noch auf halbem Weg.
Optische Fasern sind vorerst die zweite Hälfte unserer Formel
Jetzt, da unsere Opsine vollständig Teil unseres Gehirns oder des Gehirns unserer Mäuse sind, müssen Forscher jetzt optische Fasern in der Nähe unserer Opsin-Neuronen installieren, um die Lichtreize korrekt zu liefern. Wie oben erwähnt, abhängig von den Opsinen, die in Verbindung mit der Lichtfrequenz verwendet werdenBestimmte Gehirnregionen können kontrolliert werden, was Ihnen lichtempfindliche telepathische Superkräfte verleiht, wenn Sie sich für solche Dinge interessieren. Eine ausgereiftere Form der Optogenetik könnte die Türen zu einer leistungsstarken klinischen Therapie öffnen, die Menschen mit neurologischen Problemen helfen könnte.Es gibt jedoch ein Problem.
Damit dies wirklich praktisch funktioniert, müssen wir die Drähte entfernen, die aus dem Gehirn herausragen. Dies würde eine Operation erfordern. Niemand möchte, dass Drähte oder ein Gerät aus dem Gehirn herausragen. Die nächste Entwicklung in der Optogenetik könnte diesdrahtlos sein. In a aktuelle Studie Forscher konnten Neuronen dazu bringen, auf Licht ohne optische Fasern zu reagieren. Das Team der Stanford University hat einen Weg gefunden, Neuronen von Bioingenieuren zu entwickeln, die empfindlich auf vom Schädel gestreutes Licht reagieren. noch schnellere Zeit als seine Vorgänger Trotzdem ist es immer noch der erste Schritt unter vielen in Richtung drahtloser Gehirnsteuerung.
Optogenetik könnte alles verändern
Wissenschaftler versuchen, Krankheiten mit Optogenetik zu behandeln oder sogar Symptome zu lindern. Ein einfaches optogenetisches Upgrade Ihres Herzens könnte verwendet werden, um Herzfrequenzunregelmäßigkeiten zu korrigieren. Optogenetik könnte möglicherweise dazu beitragen, die motorische Funktion bei Patienten mit Lähmungen wiederherzustellen, indem "Lichtbehandlungen" zum Auslösen verwendet werdenMuskelkontraktionen.
"Es besteht kein Zweifel, dass die Optogenetik letztendlich zur Reparatur fehlerhafter Organe im menschlichen Körper eingesetzt werden könnte. Und die Gentherapie wird es uns ermöglichen, dies völlig nichtinvasiv zu tun." sagt Vitaly Shevchenko vom MIPT-Labor für fortgeschrittene Studien zu Membranproteinen. "Auf Wunsch wäre es sogar möglich, unseren Körper zu verbessern, indem einige seiner Teile durch effektivere Komponenten ersetzt werden!"
Klinische Behandlungen könnten zur Behandlung neurologischer generativer Erkrankungen und sogar eingesetzt werden. psychische Gesundheitsprobleme . Die Liste geht weiter. Dennoch ist es wichtig zu erwähnen, dass wir noch einen langen Weg vor uns haben. Es gab beeindruckende Sprünge in der Optogenetik. Vergessen Sie jedoch nicht, dass die Anwendung nicht am Rande liegtder Wissenschaft.
Wenn dies nicht funktioniert, können wir es immer versuchen Elon Musks Neuralink .