Brain Control With Light Det er mulig med Optogenetics

Medisinske forskere har studert hjernen i mer enn fem hundre år - og etter all den tiden har det gåtefulle orgel fortsatt mange hemmeligheter. Til slutt, over de siste årene, ble en ny teknikk kalt “optogenetics” er på vei opp, noe som kan hjelpe forskere til å rive hjernens hemmeligheter (og behandle sine lidelser) på en helt ny måte.

Hvorfor trenger vi optogenetikk?

På mange måter er det utrolig at psykiatrisk medisinering fungerer i det hele tatt. Den nyeste teknologien - den aller beste moderne vitenskapen kan gjøre - er å fordype hjernen i et kjemisk bad, og håper at det gjør den eneste tingen vi er interessert i. Og ... det er en slags arbeider! Noen ganger.

Det finnes stoffer som er svært kraftige for behandling av depresjon, OCD, bipolar lidelse og Parkinsons sykdom. De blir ofte riddled med ubehagelige bivirkninger. Medisinene som fungerer bra ble ofte oppdaget av ingenting annet enn prøving og feiling. I mange tilfeller har forskere ikke en detaljert forståelse av hvordan hjernen virker for å oppnå normal funksjon - eller hvordan det virker når det virker feil. Disse kunnskapsgapene er vanskelige å håndtere gjennom tradisjonelle måter å studere hjernen på, og begrense evnen til å utvikle effektive terapier.

Hva psykiatere og nevrologer virkelig vil ha, er total lese-skriv-tilgang til hjernen: evnen til å nå inn i noens hode og opphisse eller undertrykke vilkårlig grupper av nevroner, med single-neuronoppløsning, slik at vi isolerer befolkningene som er dysfunksjonelle og korrigerer deres oppførsel i sanntid. Dessverre er det ikke upraktisk å knekke noen av hodene på åpne og løpende ledninger til hver nevron.

Løftet om optogenetikk er at det faktisk kan la legene oppnå noe nær den slags tilgang.

Hvordan forskere bruker lys til å kontrollere hjernen

Slik fungerer det: For det første forsker injeksjonen med et genetisk utviklet virus, designet for å infisere hjernevæv. Hundrevis av milliarder eksemplarer av viruset oversvømmer hjernen, injiserer nytt nyttelaster i nerveceller når de møter dem.

Disse virusene er ikke skadelige: i stedet for å levere en skadelig, selvrepliserende nyttelast, har disse virusene blitt utviklet av forskere for å levere en godartet DNA-streng som koder for spesielle overflateproteiner som reagerer på bestemte bølgelengder av lys. Virusene fungerer bare som engangssprøyter for å levere spesielle DNA til cellene.

Nevronene innarbeider dette spesielle DNA, og hvis forholdene er riktige, uttrykker overflateproteiner som får dem til å brenne når de stimuleres med lys - de samme typene proteiner som brukes av menneskelige retinale celler for å oppdage lys og formbilder. Ved å forandre DNAet til å være pickier om når det uttrykker seg, kan forskere velge hvilke typer neuroner (det er tusenvis av varianter) uttrykker overflateproteinet og vil reagere på lys.

Ved å kontrollere nøye hvor lyset skinner på hjernen, kan de spesifikke stedene som stimuleres eller deprimeres styres med sub-millimeter presisjon, en grad av kontroll som aldri tidligere har vært mulig. Enda bedre, mange områder av hjernen kan bli påvirket uten å måtte kutte i eller tråden gjennom hjernemateriell, noe som gjør prosedyren mye tryggere enn konvensjonelle former for hjernestimulering.

Ifølge Ed Boyden, professor i bioengineering og nevrovitenskap ved MIT,

Hvis du kan kontrollere celler i hjernen, kan du finne ut hva deres makt er, hva de kan påvirke - og også, hvis du kan kontrollere celler i hjernen, kan du fikse avvikende hjernestater, og du kan skape nye typer terapi , resculpting beregningene som har gått galt i en nevrologisk eller psykiatrisk lidelse

Du kan se en ganske teknisk (men ekstremt interessant) forelesning om teknikker og metodikk nedenfor:

Hva kan du gjøre med optogenetikk?

Tenk deg at en forsker vil bedre forstå hvordan depresjon fungerer. Så samler forskeren noen deprimerte mus (spør ikke hvordan forskere lager deprimerte mus, du vil ikke vite), og begynner å teste.

De sjekker ulike typer neuroner, og forskjellige hjernegrupper, og ser hva som skjer når du stimulerer eller presser ned disse områdene og de nevronene. Noen eksperimentelle grupper blir lykkeligere - noen blir mer deprimerte: de fleste gjør det heller ikke. Ved å begrense hvilke populasjoner som er relatert, og hvordan de påvirker utfallet, bygger forskeren langsomt et dypt, detaljert funksjonsoversikt av hjernen: isolerer maskinens glede.

Dette er den typen eksperiment som optogenetikk muliggjør, og det skal gi forskere en dypere forståelse av ulike mentale funksjoner og måtene de kan gå galt på.

Optogenetikk har allerede ført til noen interessante potensielle innsikter i de hørbare hallusinasjonene av schizofreni. Ifølge Dr. Karl Deisseroth fra Stanford University synes det nå sannsynlig at stemmeene faktisk er, at de normale komponentene i den interne monologen misforstås som ekstern innflytelse.

“Det kan være en dårlig anerkjent versjon av interne tanker. På en eller annen måte er informasjonen som en tanke virkelig kommer fra seg, tapt. Det er sett på som en fremmed ting, en talespråk. [...] [Før optogenetikk] var det ingen måte å vite dette fordi det ikke var mulig å selektivt kontrollere [cellene] på riktig tidsskala.”

Disse typer innsikt er vitenskapelig viktige og kan føre til bedre medisiner og terapier, samt å svare på gamle mysterier om bevissthetens og intelligensens natur. Tenkemaskiner: Hva Neurovidenskap og Kunstig Intelligens kan lære oss om bevissthetstanker: Hva Neurovitenskap og Kunstig Intelligens kan lære oss om bevissthet Kan bygningen kunstig intelligente maskiner og programvare lære oss om bevissthetens arbeid og naturen til det menneskelige sinn selv? Les mer .

I den nærmeste fremtid kan leger kanskje ta innsiktene de får fra disse forsøkene, slå dem rundt og bruke optogenetikk på faktiske pasienter til å påvirke nevrologiske aktiviteter som bidrar til depresjon. Optogenetikk gjør det mulig for leger ikke bare å studere hjernen, men også å endre den med langt større presisjon enn tidligere.

Bygg en Sanity Hat

Dessverre er det sannsynligvis ikke mulig å bruke optogenetikk på mennesker ikke-invasivt. Hodeskallen er ganske enkelt for tykk, så det er nødvendig å mate fiberoptiske kabler gjennom den. Dette er større operasjon og har risiko forbundet med det, utover hva som normalt er involvert i å starte et kurs med psykiatrisk medisinering.

Imidlertid har behandlingsmidlene potensialet til å være mye mer effektive og har færre bivirkninger, så det vil trolig være verdt det for mange pasienter. Det har allerede blitt undersøkt bruk av elektriske hjernepacemakere for å behandle alvorlig depresjon, og resultatene er svært lovende. Fremtidige terapier basert på optogenetikk vil trolig være mindre invasive og mer effektive: Når hjernen er rigget med riktig posisjonerte fiberoptiske kabler, kanskje satt inn gjennom nesen for å unngå å bryte skallen, kan resten av maskinvaren lagres eksternt, for lett adgang. Implantatet i seg selv (fiberoptisk kablene og laserdiodene) ville bare kreve strøm og et styresignal, noe som en dag kunne leveres trådløst.

Resten av maskinvaren (datamaskinen, batteriet og så videre) kan potensielt bli slitt eksternt, slik at pasientens lege kan omprogrammere det etter behov uten å kreve ytterligere kirurgi.

Utover å korrigere psykisk sykdom gir optogenetikk også en mye mer biokompatibel og mindre invasiv måte å direkte stimulere nervercellene i hjernen og kroppen enn konvensjonelle implanterte elektroder, noe som ville gå langt i retning av å forbedre transhumanistiske ytelsesfremmende implantater. Plugging In Your Brain og kropp - Framtiden for implanterte datamaskiner som plugger seg i hjernen og kroppen din - Fremtiden for implanterte datamaskiner Med den nåværende trenden med teknisk innovasjon og fremskritt, er det nå en god tid å utforske toppmoderne teknologi i datamaskinteteknologi. Les mer mer praktisk.

For å være tydelig, er dette alt fremdeles langt unna: optogenetikk er et mye brukt forskningsverktøy akkurat nå (vi har dekket eksperimenter med det før lysminneeksperiment påvirker musens hjerner som et MIB Neuralyzer Light Memory Experiment påvirker musens hjerner som en MIB Neuralyzer Husk når Will Smith og Tommy Lee Jones brukte neuralyzer til å slette folks minner? Vel, UC Davis-forskere har vellykket "slettet spesifikke minner" i mus med lys. Les mer). Men sin rolle som klinisk terapi er minst et tiår eller to unna, og kan vel erstattes av andre teknikker som kan gi lignende resultater mindre invasivt.

Likevel er prospektet spennende, og noen programmer kan komme før. For eksempel er det mulig å bruke optogenetikk til å bygge bedre cochlearimplantater med mye større presisjon.

Er dette ikke helt skummelt?

Noen av dere som leser dette, trekker allerede tinfoilhattene dine tettere rundt ørene dine, og det er helt rettferdig: Denne typen tilgang til hjernen er uten sidestykke, utenfor et bestemt merke av hysterisk science fiction. Potensialet for misbruk er minst verdt å diskutere.

Hvis du kan utøve nok kontroll over hjernen for å fikse depresjon og skizofreni og personlighetsforstyrrelser, kan du også utøve nok kontroll til å omprogrammere noens seksuelle orientering - eller lobotomisere bølle barn og fanger. Risikoen for at foreldre prøver å bruke slik teknologi for å tvinge endringer i identitet på sine barn, er en som åpner opp helt nye etiske bekymringer som medisinen skal håndtere for første gang.

Utover det, fra et enkelt datasikkerhetsperspektiv, er mange moderne medisinske enheter ganske enkelt ikke sikre nok og kan hackes, i noen tilfeller trådløst. Det slags kompromiss er skremmende nok med en pacemaker, men det blir virkelig forferdelig når du vurderer utsikten at en angriper kunne (potensielt) ape rundt inne i hodet uten tillatelse.

Forskerne som arbeider med disse terapiene, er ikke uvitende om disse problemene. Karl Deisseroth, i samme intervju som nevnt ovenfor, brakte opp det samme punktet:

“Specificiteten til optogenetikk reiser spørsmålet om hvordan man nøyaktig kan tilpasse en hjerne til å virkelig skape et individ med ulike behov, ønsker, prioriteringer, følelser [...] det er også et forstyrrende aspekt som reiser spørsmål om fri vilje.”

Likevel er disse bekymringene svake i forhold til det enorme antallet mennesker som lider fryktelig fra for tiden ugjennomtrengelige psykiatriske sykdommer som optogenetikk har potensial til å hjelpe. Denne teknologien er mer nyttig enn den er farlig, og som den er utviklet i løpet av de neste tiårene, kan radikalt forandre innholdet i mental helse terapi.

Hva tror du? Skummelt, kult eller et sted i mellom? Har optogenetics potensialet til å hjelpe deg personlig? Gi oss beskjed i kommentarene!

Bilde Kreditt: Neuroner Via Shutterstock, “tinfoil,” av Russ Walker

Utforsk mer om: Bionic Technology, Geeky Science.