کنترل سلول‌های عصبی با نور، دریچه‌ای جدید برای مطالعه مغز

برخی از اکتشافات علمی بزرگ در واقع کشف نشده‌اند بلکه الهامی از طبیعت هستند. یکی از این پدیده‌ها مربوط به یک جاندار به اسم جلبک سبز است که پروتئین‌های تولید شده توسط آن، راهی جدید را برای مطالعه‌ی مغز باز کردند.

سلول‌های گونه‌ای از جلبک به نام، Chlamydomonas reinhardtii پروتئین‌هایی دارند که به نور حساس هستند. این توانایی که اولین بار در سال 2002 کشف شد، به سرعت توجه دانشمندان علوم اعصاب را به خود جلب کرد. این پروتئین‌های حساس به نور، امکان روشن و خاموش‌‌کردن سلول‌های عصبی را، در مکان و زمان مشخص به دانشمندان می‌دهند.

در واقع سلول‌های عصبی، می‌توانند توسط مهندسی ژنتیک، تبدیل به عروسک‌هایی شوند که با نور کنترل می‌شوند. یک فلاش نور، می‌تواند نورون‌های خاموش را روشن و یا یک نورون فعال را غیر فعال کند.

Zhuo-Hua Pan، عصب شناس بینایی، که به دنبال راهی برای کنترل سلول‌های بینایی در شبکیه موش‌ها بود، می‌گوید: این مولکول پروتئینی دقیقا یک حسگر نوری است که ما به آن نیاز داشتیم.

روش فعال‌ یا غیر فعال کردن نورون‌ها‌‌ توسط این پروتئین‌ها، اکنون اپتوژنتیک نامیده می‌شود.

دانشمندان با استفاده از نور برای هدایت فعالیت سلول‌های عصبی خاص، توانسته‌اند مغز موش‌ها را تحت تاثیر قرار دهند و به آن‌ها مفاهیمی را القا کنند. در این آزمایش، موش‌ها خطوطی را دیده‌اند که وجود ندارند و اتاقی را به خاطر می‌آورند که هرگز داخل آن نبوده‌اند. دانشمندان از اپتوژنتیک برای جنگیدن، جفت گیری و حتی بینایی موش‌های کور استفاده کرده‌اند. در اولین اقدام بزرگ، اپتوژنتیک، توانست حس بینایی یک مرد نابینا را بازسازی کند.

سرنخ اولیه از پتانسیل اپتوژنتیک حدود ساعت 1 بامداد در 4 آگوست 2004 به دست آمد. اد بویدن، محقق و عصب شناسِ آزمایشگاهی در استنفورد، در حال بررسی ظرفی از نورون‌ها بود که این نورون‌ها دارای ژن یکی از حسگرهای نورِ جلبکی به نام کانال رودوپسین-2 بودند. بویدن می‌خواست نور آبی را روی سلول‌ها بتاباند و ببیند که آیا سیگنال‌ از این سلول‌ها ساطع می‌شود یا خیر. در کمال تعجب، اولین سلول بررسی شده به نور پاسخ داد و این جرقه‌ای برای مطالعات بیشتر در این زمینه بود.

در آزمایشگاه پان، پروتئین‌های پاسخ‌دهنده به نور، بینایی موش‌هایی که دارای آسیب شبکیه‌ بودند را بازیابی کردند که این یافته اکنون به یک آزمایش بالینی در انسان‌ها منجر شده است. آوازه‌ی اپتوژنتیک در آن روزهای اولیه هنوز به گوش عوام نرسیده بود، زیرا دانشمندان برای اولین بار یاد می‌گرفتند که چگونه از این پروتئین‌ها در سلول‌های عصبی استفاده کنند. پان می‌گوید: در آن زمان، هیچ‌کس پیش‌بینی نمی‌کرد که این کار اپتوژنتیکی چنین تأثیر عظیمی داشته باشد.

از زمان کشف این پروتئین‌ها تاکنون، حسگرهای نوری جلبک برای استفاده در بسیاری از عرصه‌های تحقیقاتی مغز مورد استفاده قرار گرفته‌اند. به عنوان مثال، تالیا لرنر، عصب شناس از دانشگاه نورث وسترن در شیکاگو، از اپتوژنتیک برای مطالعه‌ی ارتباط بین سلول‌های مغز موش استفاده کرده است. او از این روش برای ارتباطات بین سلولی در سلول‌های تولید کننده و پاسخ دهنده به ناقل عصبی دوپامین استفاده کرد. این پیوندهای سلولی، که توسط اپتوژنتیک روشن شده‌اند، ممکن است به آشکار شدن جزئیات در مورد انگیزه و یادگیری کمک کنند. او می‌گوید: تحقیق در این زمینه، بدون استفاده از اپتوژنتیک امکان‌پذیر نبود.

اپتوژنتیک برای جین پاز از موسسه گلادستون در سانفرانسیسکو نیز ضروری بود. او و همکارانش به دنبال سلول‌هایی بودند که می‌توانستند از گسترش تشنج در مغز جلوگیری کنند. پاز می‌گوید: ما واقعاً نمی‌توانستیم این سؤالات را با هیچ ابزار دیگری مطرح کرده و برای آن پاسخی پیدا کنیم.

این تحقیق که به کمک اپتوژنتیک انجام شده است، پاز را به ساختار مغزی به نام تالاموس، ایستگاهی برای بسیاری از شبکه‌های عصبی در مغز، هدایت کرد. او می‌گوید: زمانی که نور را به برآمدگی‌هایی در این منطقه تاباندم، تشنج متوقف می‌شد.

تاکنون تحقیقات اپتوژنتیک، بیشتر روی موش‌ها انجام شده است. یاسمین الشمایله از دانشگاه کلمبیا می‌گوید، بینش‌هایی در مورد مغزهای پیچیده‌تر، از جمله مغز پریمات‌ها، به زودی پیدا خواهد شد.

مهم نیست که در این علمِ پر سرعت چه اتفاقی می‌افتد، بلکه چیزی که مسلم می‌باشد این حقیقت است که:

دانشمندان علوم اعصاب، مدیون جلبک‌ها هستند.