Il controllo del cervello con la luce è possibile con l'optogenetica

Gli scienziati medici hanno studiato il cervello per più di cinquecento anni - e, dopo tutto quel tempo, l'organo enigmatico contiene ancora molti segreti. Finalmente, nel corso degli ultimi anni, è stata chiamata una nuova tecnica “optogenetics” sta emergendo, il che può aiutare gli scienziati a svelare i segreti del cervello (e curarne i disturbi) in un modo completamente nuovo.

Perché abbiamo bisogno di optogenetica?

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

Ci sono farmaci che sono molto potenti per il trattamento della depressione, DOC, disturbo bipolare e morbo di Parkinson. Sono spesso crivellati di effetti collaterali spiacevoli. I farmaci che funzionano bene sono stati spesso scoperti da nient'altro che tentativi ed errori. In molti casi, gli scienziati non hanno una comprensione dettagliata di come funziona il cervello per ottenere una normale funzione o di come funziona quando si verifica un malfunzionamento. Queste lacune di conoscenza sono difficili da affrontare attraverso i metodi tradizionali di studio del cervello e limitano la capacità di sviluppare terapie efficaci.

Quello che gli psichiatri e i neurologi vorrebbero davvero è l'accesso totale in lettura e scrittura al cervello: la capacità di raggiungere la testa di qualcuno ed eccitare o sopprimere gruppi arbitrari di neuroni, con risoluzione di un singolo neurone, permettendoci di isolare le popolazioni che sono disfunzionali e correggere le loro comportamento in tempo reale. Sfortunatamente, spezzare la testa di qualcuno e far passare fili ad ogni neurone non è pratico.

La promessa dell'optogenetica è che potrebbe effettivamente consentire ai medici di raggiungere 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 il soggetto con 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 quando li incontrano.

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

I neuroni incorporano questo speciale DNA e, se le condizioni sono giuste, esprimono proteine ​​superficiali che li inducono al fuoco quando stimolati dalla luce - gli stessi tipi di proteine ​​che vengono utilizzati dalle cellule retiniche umane per rilevare la luce e formare immagini. Modificando il DNA per essere più esigente quando si esprime, gli scienziati possono scegliere quali tipi di neuroni (ci sono migliaia di varietà) esprimere la proteina di superficie e rispondere alla luce.

Quindi, controllando attentamente dove viene riflessa la luce sul cervello, le posizioni specifiche che vengono stimolate o depresse possono essere controllate con precisione sub-millimetrica, un grado di controllo che non è mai stato possibile in precedenza. Ancora meglio, molte aree del cervello possono essere colpite senza bisogno di tagliare o infilare 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 nel cervello, puoi capire qual è il loro potere, cosa possono influenzare - e, inoltre, se riesci a controllare le cellule nel cervello puoi correggere stati cerebrali aberranti, e puoi creare nuovi tipi di terapia , riorganizzando i calcoli che sono andati male in un disturbo neurologico o psichiatrico

Puoi guardare una lezione abbastanza tecnica (ma estremamente interessante) sulle tecniche e la metodologia qui sotto:

Cosa puoi fare con Optogenetics?

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, non si vuole sapere) e inizia a testare.

Controllano diversi tipi di neuroni e diverse regioni del cervello, e vedono cosa succede quando si stimolano o si deprimono quelle aree e quei tipi di neuroni. Alcuni gruppi sperimentali diventano più felici - alcuni diventano più depressi: la maggior parte non fa nessuno dei due. Limitando le popolazioni correlate e il loro effetto sul risultato, il ricercatore costruisce lentamente una mappa funzionale profonda e dettagliata del cervello: isolando i macchinari della gioia.

Questo è il tipo di esperimento che l'optogenetica consente e offre agli scienziati una comprensione più profonda delle diverse funzioni mentali e dei modi in cui possono andare male.

Già, l'optogenetica ha portato a interessanti spunti interessanti sulle allucinazioni uditive della schizofrenia. Secondo il dott. Karl Deisseroth della Stanford University, sembra ora probabile che le voci siano, in effetti, componenti normali del monologo interno che vengono erroneamente interpretate come influenza esterna.

“Potrebbe essere una versione scarsamente riconosciuta dei pensieri interni. In qualche modo l'informazione che un pensiero proviene davvero da sé è persa. 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 celle] nella giusta scala temporale.”

Questi tipi di informazioni sono scientificamente importanti e potrebbero portare a farmaci e terapie migliori, oltre a rispondere ai misteri antichi sulla natura della coscienza e dell'intelligenza. Macchine del Pensiero: Cosa Neuro Scienza e Intelligenza Artificiale possono insegnarci sulla coscienza? Macchine del pensare: che neuroscienza e artificio L'intelligenza può insegnarci la coscienza Può la costruzione di macchine e software artificialmente intelligenti insegnarci il funzionamento della coscienza e la 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, girarli e usare optogenetica su pazienti reali per influenzare le attività neurologiche che stanno contribuendo alla depressione. Optogenetics consente ai medici non solo di studiare il cervello ma anche di modificarlo con una precisione molto maggiore di quanto fosse possibile in precedenza.

Costruire un cappello di sanità

Sfortunatamente, probabilmente non è possibile utilizzare optogenetica sugli esseri umani in modo non invasivo. Il cranio è semplicemente troppo spesso, quindi è necessario alimentare i cavi in ​​fibra ottica attraverso di esso. Questo è un intervento chirurgico importante e presenta rischi associati, al di là e al di là di ciò che è normalmente coinvolto nell'avvio di un corso di psicofarmaci.

Tuttavia, le terapie in questione hanno il potenziale per essere molto più efficaci e hanno meno effetti collaterali, quindi probabilmente ne varrà la pena per molti pazienti. C'è già stata una ricerca sull'utilizzo di pacemaker cerebrali elettrici per trattare la depressione grave, ei risultati sono molto promettenti. Le future terapie basate sull'optogenetica saranno probabilmente meno invasive e più efficaci: una volta che il cervello è attrezzato con cavi in ​​fibra ottica correttamente posizionati, magari inseriti attraverso il naso per evitare di aprire il cranio, il resto dell'hardware può essere immagazzinato esternamente, per facilitare accesso. L'impianto stesso (cavi in ​​fibra ottica e diodi laser), avrebbe bisogno solo di energia e un segnale di controllo, cose che potrebbero un giorno essere fornite in modalità wireless.

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

Oltre a correggere la malattia mentale, l'optogenetica fornisce anche un modo molto più biocompatibile e meno invasivo per stimolare direttamente le cellule nervose nel cervello e nel corpo rispetto agli elettrodi impiantati convenzionali, il che farebbe molto per realizzare impianti di miglioramento delle prestazioni transhumanist Plugging In Your Brain e il corpo: il futuro dei computer impiantati che collegano il tuo cervello e il tuo corpo - il futuro dei computer impiantati Con l'attuale tendenza dell'innovazione e del progresso tecnico, ora è un buon momento per esplorare lo stato dell'arte nelle tecnologie informatiche. Per saperne di più più pratico.

Per essere chiari, tutto questo è ancora molto lontano: optogenetics è uno strumento di ricerca ampiamente utilizzato al momento (abbiamo coperto gli esperimenti usando questo esperimento di memoria leggera che colpisce i topi cervello come un esperimento di memoria leggera MIB Neuralyzer che colpisce i topi come un cervello MIB Neuralyzer Ricorda quando Will Smith e Tommy Lee Jones hanno usato il neuralizzatore 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. Tuttavia, il suo ruolo di terapia clinica è di 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 eccitante e alcune applicazioni potrebbero arrivare prima. Ad esempio, è possibile utilizzare optogenetics per costruire impianti cocleari migliori con una precisione molto maggiore.

Non è tutto davvero spaventoso?

Alcuni di voi che stanno leggendo questo stanno già stringendo i cappelli di carta stagnola intorno alle orecchie, ed è assolutamente giusto: questo tipo di accesso al cervello è senza precedenti, al di fuori di una certa marca di fantascienza isterica. Il potenziale di abuso è almeno degno di essere discusso.

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

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 quando si considera la prospettiva che un utente malintenzionato possa (potenzialmente) scimmiottare nella propria 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 quanto precisamente si possa modificare un cervello per creare realmente un individuo con bisogni, desideri, priorità, sentimenti diversi [...] c'è anche un aspetto inquietante che solleva questioni di libero arbitrio.”

Eppure, queste preoccupazioni sono insignificanti rispetto all'enorme numero di persone che soffrono orribilmente di malattie psichiatriche attualmente non trattabili che l'optogenetica ha il potenziale per aiutare. Questa tecnologia è più utile di quanto sia pericolosa e, poiché è sviluppata nei prossimi decenni, potrebbe 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!

Immagine di credito: Neuroni Via Shutterstock, “Carta stagnola,” di Russ Walker

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