211service.com
Ein Lichtschalter für das Gehirn
Wissenschaftler können jetzt mit einem einfachen Lichtblitz bestimmte Teile des Gehirns ein- und ausschalten. Das neue molekulare Werkzeug, das von Wissenschaftlern am MIT und in Stanford entwickelt wurde, ermöglicht eine beispiellose Kontrolle über das Gehirn und könnte zu wirksameren Behandlungen für Epilepsie, Parkinson und andere Krankheiten führen. Es könnte Neurowissenschaftlern auch helfen, die Sprache des Gehirns zu knacken: die Informationen, die in der elektrischen Aktivität von Neuronen kodiert sind, die unsere Erinnerungen bilden und jede unserer Bewegungen lenken.
Wurmtraining: Ein lichtaktivierter Ausschalter kann die Bewegung von mikroskopisch kleinen Würmern steuern. Wissenschaftler haben die Würmer so konstruiert, dass sie den Schalter in Motoneuronen ausdrücken, der die Schwimmfähigkeit der Organismen steuert. Ohne Licht schwimmen die Würmer ganz normal. Aber wenn sie gelbem Licht ausgesetzt sind, was durch den gelben Kreis angezeigt wird, können ihre Motoneuronen nicht mehr funktionieren und die Würmer lähmen.
Ich denke, es wird das Feld in vielerlei Hinsicht revolutionieren, sagt Michael Hausser, ein Neurowissenschaftler am University College London, der einen Kommentar zur Forschung verfasst hat, der heute in . veröffentlicht wurde Natur und letzten Monat in Öffentliche Bibliothek für Wissenschaft One . Sie könnte die Stimulationselektrode ersetzen, die in den letzten 100 Jahren das wichtigste Werkzeug der Neurophysiologen war. Es könnte auch klinische Anwendungen verbessern, bei denen sich implantierte Elektroden als nützlich erwiesen haben, indem sie gezielt Erregung oder Hemmung auf bestimmte Zellen ausrichten.
Neuronen kodieren Informationen mit einer Reihe von elektrischen Impulsen, die zwischen Zellen übertragen werden. Neurowissenschaftler haben traditionell die Funktion von Gehirnzellen untersucht, indem sie Stromstöße senden, die von einer Elektrode geliefert werden, die die Aktivität in Neuronen auslöst. Es ist jedoch schwierig, diese Aktivität auf einen bestimmten Zelltyp auszurichten, und es gibt keine entsprechende Behandlung, um Zellen auszuschalten.
Letztes Jahr haben Karl Deisseroth, Bioingenieur und Arzt in Stanford, und Ed Boyden, Bioingenieur am MIT, einen lichtempfindlichen Kanal aus Quallen kooptiert, um einen genetischen Einschalter zu erzeugen. Der Kanal sitzt auf der Zellmembran und öffnet sich bei Lichteinfall, sodass positive Ladung in die Zelle fließen kann. Das Beleuchten von Neuronen, die gentechnisch verändert wurden, um den Kanal zu tragen, löst eine elektrische Aktivität innerhalb der Zelle aus, die sich dann auf das nächste Neuron im Kreislauf ausbreitet. (Wissenschaftler verwenden optische Fasern, um Licht in das Gehirn zu strahlen.)
Multimedia
Sehen Sie sich ein Video mit Lichteffekten bei den entwickelten Würmern an.
Deisseroth und Boyden haben nun unabhängig voneinander einen Ausschalter entwickelt, der nach einem ähnlichen Mechanismus funktioniert. Diesmal verwendeten die Wissenschaftler ein Gen, das für eine Proteinpumpe kodiert: Wenn es mit gelbem Licht getroffen wird, pumpt es negative Ladung in die Zelle und blockiert so das Feuern des Neurons. Beide Schalter können in derselben Zelle verwendet werden, was Neurowissenschaftlern effektiv einen Lichtschalter zur Verfügung stellt, mit dem neuronale Aktivität ein- und ausgeschaltet werden kann.
Diese neu entdeckte Fähigkeit, Neuronen präzise zu steuern, könnte endlich Antworten auf wichtige Fragen zum Gehirn liefern. Es könnte Wissenschaftlern helfen, die spezifischen Zellen oder neuronalen Aktivitätsmuster zu finden, die an kognitiven Prozessen wie Aufmerksamkeit oder bestimmten Krankheiten wie Epilepsie beteiligt sind.
Sowohl Epilepsie als auch Parkinson können mit Elektroden im Gehirn behandelt werden. Aber der von der Elektrode gelieferte Strom stimuliert alle nahegelegenen Zellen und nicht nur die erkrankten, was die Nebenwirkungen verstärkt und möglicherweise die Wirksamkeit der Behandlung verringert. Es war die Quelle unglaublicher Frustration, sagt Deisseroth, ein praktizierender Psychiater, der elektrische Stimulation zur Behandlung schwerer Depressionen testet. Wir wissen, dass wir Behandlungsvorteile erzielen können, indem wir Elektroden in das Gehirn kleben, aber wir wissen nicht wirklich, was der Zielzelltyp ist.
Mit den Lichtschaltern untersuchen Deisseroth und Boyden nun Tiermodelle dieser Krankheiten, um genau herauszufinden, welche Zellen an- oder ausgeschaltet werden müssen. Ihre Erkenntnisse könnten verwendet werden, um neue Medikamente zu entwickeln, die nur auf diese Zellen ausgerichtet sind, oder eines Tages Elektroden durch präzisere lichtaktivierte Implantate zu ersetzen.
Der Schalter könnte auch dazu beitragen, die Sprache des Gehirns zu entschlüsseln, indem er Neurowissenschaftlern hilft festzustellen, wie verschiedene Muster neuronaler Aktivität zu komplexen Gedanken und Handlungen führen. Neuere Forschungen haben zum Beispiel gezeigt, dass rhythmische elektrische Muster in unserem Gehirn für unsere Aufmerksamkeit wichtig sind. Wissenschaftler könnten den Schalter nutzen, um diese Muster bei Tieren zu stören und zu sehen, ob er ihre Aufmerksamkeitskapazität auslöscht. Oder sie könnten versuchen, diese Muster zu induzieren und zu sehen, ob dies die Konzentration der Tiere verbessert. Davon träumen Neurowissenschaftler schon lange, sagt Hausser. In der Lage sein, das raumzeitliche Aktivitätsmuster in einem Netzwerk zu manipulieren und den Code zu finden, der mit einer bestimmten Art von Verhalten verbunden ist.
Darüber hinaus können Wissenschaftler die spezifischen Einheiten des neuronalen Codes manipulieren – die Impulse oder Spitzen der elektrischen Aktivität, die zwischen Zellen übertragen werden. Wir haben gezeigt, dass wir Spikes herumschieben, blockieren und verzögern können, sagt Boyden. Wir können die neuronale Kodierung wirklich im Millisekundenbereich verändern. Dies sollte es Wissenschaftlern ermöglichen zu bestimmen, welcher Aspekt des Codes – das Timing der Spikes oder die Rate der Spikes – Informationen im Gehirn codiert, eine Debatte, die seit Jahrzehnten tobt.