Od badania alg do tajemnic ludzkiego mózgu

„Badając algi, zyskaliśmy narzędzie do tego, aby dowiedzieć się więcej nie tylko o nich samych czy o fizyce, ale również o ludzkim umyśle. Być może uda się je wykorzystać w personalizowaniu terapii chorób neurologicznych i psychiatrycznych (np. depresji czy schizofrenii), a także lepiej zrozumieć, jak codzienne otoczenie wpływa na nasze działanie i myślenie” – komentuje tegoroczną nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii dr Ewa Więsik-Szewczyk, kierowniczka Kliniki Chorób Wewnętrznych i Reumatologii WIM.

AdobeStock

Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny została przyznana amerykańskiemu neurobiologowi Karlowi Deisserothowi oraz dwóm niemieckim naukowcom – Peterowi Hegemannowi i Georgowi Nagelowi – za wykorzystanie impulsów świetlnych do kontrolowania reakcji komórkowych. Badania nad algami dostarczyły im narzędzi do pogłębienia wiedzy nie tylko z zakresu fizyki i biologii, ale także funkcjonowania ludzkiego umysłu.

Dzięki tym odkryciom możliwy stał się rozwój optogenetyki – metody polegającej na kontrolowaniu aktywności określonej grupy neuronów za pomocą światła. Choć to odkrycie w dziedzinie nauk podstawowych, ma zastosowanie w nowoczesnych narzędziach badawczych, w szczególności w neurobiologii.

Komórki macierzyste regenerują połączenia neuronalne

Jeszcze do niedawna uważano, że mózg po udarze nie jest w stanie się odbudować. Najnowsze badania pokazują jednak coś przełomowego: przeszczepy komórek macierzystych mogą regenerować nie tylko uszkodzoną tkankę, lecz także odtwarzać połączenia neuronalne odpowiedzialne za ruch, mowę i funkcje poznawcze.

Optogenetyka polega na wprowadzeniu do wybranych neuronów genów kodujących białka (najczęściej są to opsyny, takie jak channelrodopsyna). Kiedy na te komórki skieruje się światło o odpowiedniej długości fali (np. za pomocą światłowodu), białka aktywują się, co prowadzi do kontrolowanego pobudzenia lub wyciszenia danej grupy neuronów.

– Jeżeli białko wrażliwe na światło wprowadzimy do konkretnej grupy neuronów np. w mózgu transgenicznej myszy i zastosujemy światło, możemy pobudzić konkretną grupę neuronów i sprawdzić, jaki to ma wpływ na zachowanie myszy. Dzięki temu naukowcy mogą w czasie rzeczywistym obserwować, jak konkretne obwody mózgowe wpływają na pamięć, emocje, ruch czy procesy decyzyjne u zwierząt laboratoryjnych – tłumaczy prof. Anna Malik kierowniczka Grupy Badawczej Nuerobiologii Komórkowej na Wydziale Biologii UW.

Wcześniejsze metody, takie jak stymulacja elektryczna czy podawanie substancji chemicznych, działały „na oślep” i pobudzały wszystkie sąsiednie komórki. Optogenetyka pozwala naukowcom aktywować dokładnie te obwody, które odpowiadają za konkretne zachowanie.

Na chwilę obecną droga od przysłowiowej probówki do łóżka pacjenta jest jeszcze daleka, ale sama technologia jest bardzo atrakcyjna.

– Daje nam to możliwość bardzo precyzyjnego pobudzania komórek. Problemem jest oczywiście to, jak dostarczyć impuls świetlny do mózgu – docieranie do głębszej struktury mózgu u ludzi to wciąż trudne zadanie, ale pewnie kwestią czasu jest znalezienie metody. Takim potencjalnie najprostszym punktem dostępu wydaje się oko i próby kliniczne dotyczące leczenia ślepoty z wykorzystaniem tej technologii już się toczą – zwraca uwagę dr Bartłomiej Kisiel, kierownik Centrum Wsparcia Badań Klinicznych Wojskowego Instytutu Medycznego.

Możliwość precyzyjnego wyciszania struktur mózgowych za pomocą światła lub stymulowania obszarów, których funkcja jest zaburzona, otworzyłaby nowe drogi w leczeniu chorób neurologicznych i psychiatrycznych, takich jak głęboka depresja lekooporna, choroba Parkinsona, schizofrenia czy stany lękowe.

Zdaniem dr Ewy Więsik-Szewczyk tegoroczna nagroda Nobla pokazuje, że każde stworzenie na Ziemi jest potrzebne i nie powinno z niej znikać.

– Jestem zafascynowana tym, jak od badania alg można przejść do tajemnic mózgu ludzkiego. Z drugiej strony to dla mnie ogromne narzędzie poznawcze, które pozwala precyzyjnie zmapować nasz ośrodkowy układ nerwowy i reakcje ludzi w różnym środowisku. Wyobrażam sobie, że być może będzie to miało znaczenie w personalizowaniu nie tylko terapii, ale też tego, jak nasze otoczenie wpływa na nasze działanie, nasze myślenie, jak nasz mózg reaguje w różnym środowisku – z czego czasem nie zdajemy sobie sprawy – mówi dr Więsik-Szewczyk.

Jak się odnaleźć w świecie zalewającym nas bodźcami?

Ewolucja człowieka nie postępuje tak szybko jak rozwój technologii. Ludzki mózg może nie nadążać. Teraz dzieci żyją w kulturze obrazu, ich dziadkowie to pokolenie druku. W każdym kolejnym roku mózg przeciętnie przyjmuje więcej danych niż w poprzednim. To ma na nas olbrzymi wpływ; nic dziwnego, że coraz więcej jest dzieci „odmiennych”, z problemami. Zmienia się nasze zachowanie, emocje, sposób przetwarzania informacji.

Badaczka zwraca uwagę, że współczesny świat funduje nam chroniczne przebodźcowanie. Przykładowo, u osób mieszkających w miastach reakcje podwzgórza odpowiedzialne za zachowania agresywne uruchamiają się znacznie szybciej niż u mieszkańców wsi. Choć są to uproszczone zależności, w przyszłości – dzięki badaniom na głębszych poziomach komórkowych – będziemy w stanie precyzyjnie lokalizować źródła tych impulsów. Taka wiedza może pomóc nam lepiej radzić sobie ze stresem środowiskowym i po prostu lepiej współżyć jako społeczeństwo.

Niestety, sukcesy laboratoryjne nie oznaczają, że już za chwilę będziemy potrafili „włączyć lub wyłączyć” określone obwody w mózgu osoby cierpiącej na depresję czy schizofrenię. Przeniesienie optogenetyki z modeli zwierzęcych do bezpiecznych terapii u ludzi to proces, który wciąż wymaga lat badań i pokonania barier technologicznych.

Nobel za odkrycie mechanizmów chorób autoimmunologicznych

Laureaci tegorocznej nagrody Nobla pokazali nam jak odpowiedź immunologiczna układu odpornościowego musi być regulowana, aby nie reagował ani za słabo, ani za mocno. To ważne w poznaniu mechanizmów chorób autoimmunologicznych oraz w opracowaniu potencjalnych terapii dla tych chorób – tłumaczy dr hab. Edyta Brzóska-Wójtowicz, Instytut Rozwoju i Nauk Biomedycznych, Wydział Biologii WUM.

Tegoroczny Nobel pokazuje jednak, jak ważne są często niedoceniane badania podstawowe – tutaj akurat były to algi, które pozwoliły na zidentyfikowanie kanału wrażliwego na światło. Na podstawie tej wiedzy zrodził się pomysł praktycznego wykorzystania tych informacji do badania funkcjonowania mózgu.

– Jestem przekonana, że badanie było prowadzone z czystej ciekawości – po prostu naukowiec chciał się dowiedzieć, co sprawia, że alga porusza się w stronę świata. I to jest właśnie w tym wspaniałe, że taka ciekawość prowadzi do ważnych odkryć – mówi dr Malik.

Naukowcy przypominają, że podobna historia dotyczyła Nagrody Nobla za odkrycie białka GFP (zielonej fluorescencji). Ono również zostało wyizolowane z meduzy, a następnie wykorzystane do śledzenia lokalizacji białek w komórkach oraz znakowania receptorów w różnego rodzaju badaniach biochemicznych.