Náš mozog je fascinujúco zložitý orgán, ktorého fungovanie zamestnáva bádateľov už od staroveku. Ako dokáže orgán s hmotnosťou len približne 1,3 kilogramu uchovávať spomienky z detstva, sny a tvorivé nápady? Ako môže byť zdrojom radosti, lásky či žiarlivosti? Ako reguluje tlkot srdca, rytmus dýchania a spánkový cyklus?
V dvadsiatom storočí sa vedcom podarilo určiť, ktoré oblasti mozgu riadia jednotlivé fyziologické funkcie. Boli to neoceniteľné poznatky, dostupné metódy však boli pomerne hrubé. Nedokázali preto preukázať, či konkrétny typ nervových buniek priamo vyvoláva určitý pocit alebo správanie. Vtedajší obraz mozgu tak pripomínal rozmazanú fotografiu, na ktorej chýbalo množstvo detailov.
Francis Crick patril medzi tých, ktorí snívali o presnejších nástrojoch na skúmanie mimoriadne zložitej siete nervových buniek v mozgu. Niekoľko desaťročí po objave dvojzávitnice DNA v roku 1953 začal skúmať mechanizmy, ktoré umožňujú ľudské vedomie. Zaujímalo ho pritom, ako by sa dali aktivovať jednotlivé nervové bunky v živom mozgu. Prenos signálov v nervových bunkách je mimoriadne rýchly. Crick dospel k záveru, že ideálnym riešením, ktoré by s touto rýchlosťou dokázalo držať krok, by pravdepodobne bolo svetlo.
Keby molekulárni biológovia dokázali nejakým spôsobom upraviť nervové bunky tak, aby reagovali na svetlo, možno by dokázali riadiť aj nervovú aktivitu.
Sám Crick priznával, že jeho predstava sa zdá nepravdepodobná, no jedného dňa by sa mohla uskutočniť.
Crickov odvážny nápad sa dnes stal skutočnosťou. Karl Deisseroth, Peter Hegemann a Georg Nagel získajú Nobelovu cenu za fyziológiu alebo medicínu za rok 2026 za objav molekulárneho spínača nervových buniek. Vedci dnes dokážu pomocou svetla zapínať a vypínať jednotlivé nervové okruhy v mozgu. Môžu tak vyvolávať spomienky, navodzovať pocity, riadiť vzorce správania a skúmať typy nervových buniek, ktoré zohrávajú úlohu pri rôznych psychiatrických a neurologických poruchách. Metóda nazývaná optogenetika zásadne mení naše poznatky o mozgu. Zároveň prináša dôležitý pohľad na to, ako nervový systém spolupracuje s rôznymi bunkami v iných častiach tela, napríklad v srdci a čreve.
Riasy s bleskovou reakciou
Cesta k optogenetike sa začala krokom, ktorý s ňou zdanlivo súvisel len vzdialene. Peter Hegemann z Ústavu biochémie Maxa Plancka začal začiatkom 90. rokov skúmať, ako dokáže jednobunková riasa Chlamydomonas tak rýchlo reagovať na svetlo. Chlamydomonas je známa schopnosťou plávať za svetlom: ak ju v Petriho miske zmiešajú so živným roztokom a misku osvetlia z jednej strany, zelené sfarbenie je na strane pri svetelnom zdroji oveľa výraznejšie, pretože mikroskopické riasy sa presunú práve tam. Tieto jednobunkové riasy vnímajú svetlo pomocou očnej škvrny. Je to drobný oranžový bod na povrchu bunky, ktorý obsahuje svetlocitlivú molekulu nazývanú retinal.
Hegemann skúmal očnú škvrnu rias. Pomocou drobných elektród meral elektrické signály, ktoré vznikali v bunkách riasy Chlamydomonas po osvetlení očnej škvrny. Riasy reagovali neuveriteľne rýchlo: elektrický impulz vznikol už pol tisíciny sekundy po tom, ako svetlo dopadlo na očnú škvrnu.
V porovnaní s inými biologickými systémami, ktoré vtedy vedci poznali, to bolo mimoriadne rýchle. Svetlo dopadajúce do ľudského oka spúšťa zložitú reťazovú chemickú reakciu pozostávajúcu z mnohých krokov. Posledná bielkovina v tomto reťazci, iónový kanál, vytvára na povrchu bunky otvor, cez ktorý môžu prúdiť elektricky nabité ióny, a tým vytvárať elektrický signál. Celý proces trvá najmenej 10 milisekúnd.
Ako je teda možné, že u rias je reakcia
na svetlo viac než dvadsaťkrát rýchlejšia ako v našich očiach?
Hegemannovi napadlo jediné vysvetlenie tejto reakcie: v riase Chlamydomonas je tento proces pravdepodobne oveľa jednoduchší než v ľudskom oku. Zrejme v nej existuje jediný bielkovinový komplex, ktorý zachytáva svetlo a zároveň funguje ako iónový kanál. Ostatní prijali jeho návrh skepticky. Vedci v tom čase poznali už množstvo rôznych typov iónových kanálov, no ani jeden nedokázal sám reagovať na svetlo.
Aby Hegemann svoju hypotézu overil, pokúsil sa izolovať svetlocitlivú bielkovinu riasy Chlamydomonas. Ľahšie sa to však povedalo, než urobilo. Keď bielkoviny z očnej škvrny rias vyňali z ich prirodzeného prostredia, stávali sa nestabilnými a ľahko sa poškodili, čo sťažovalo ich skúmanie. Okolo prelomu tisícročí však výskumná skupina po rokoch neúspechov dospela k zaujímavému objavu. Japonskí vedci zmapovali DNA riasy Chlamydomonas a sprístupnili genetický kód niekoľkých tisícov génov. Hegemannova skupina medzi nimi našla dva gény, ktoré sa výrazne podobali známym génom pre svetlocitlivé bielkoviny.
Žaby a bielkoviny
Hegemann sa vtedy obrátil na svojho kolegu Georga Nagela z Ústavu biofyziky Maxa Plancka. Nagel mal potrebné znalosti na ďalší rozhodujúci krok k technike, ktorá neskôr spôsobila revolúciu v neurovede.
Nagel používal na skúmanie bielkovín žabie vajíčka. Keď dostal dva gény riasy Chlamydomonas, kópie každého z nich vstrekol do samostatnej skupiny žabích vajíčok. Tie následne začali vo veľkom produkovať dve neznáme bielkoviny. Bielkoviny sa usadili v membráne na povrchu vajíčok. Nagel potom mohol skúmať ich fungovanie a čoskoro zistil, že hypotéza, ktorú Hegemann vyslovil o desaťročie skôr, bola správna: novoobjavené bielkoviny boli iónové kanály, ktoré sa pôsobením svetla otvárali.
Tieto bielkoviny pomenovali kanálový rodopsín 1 (ChR1) a kanálový rodopsín 2 (ChR2). Podobne ako pri Hegemannovom pokuse aj Nagelovo skúmanie ChR2 ukázalo, že bielkovina reaguje na svetelné impulzy mimoriadne silno a rýchlo.
Po svetelnom podnete sa kanál na povrchu žabieho vajíčka otvoril do 0,2 milisekundy. Následne ním začali prúdiť kladne nabité ióny, čím vznikol elektrický signál.
Hegemann a Nagel si rýchlo uvedomili, že urobili veľmi dôležitý objav, ktorý by mohol nájsť využitie aj inde. Pokúsili sa preto vniesť gén ChR2 do ľudských embryonálnych obličkových buniek a do obličkových buniek škrečka. Bunky sa stali citlivými na svetlo: po osvetlení vytvárali elektrický signál. Hegemann a Nagel zverejnili výsledky svojho pokusu v roku 2003. Navrhli, že ChR2 by sa dal využiť ako účinný nástroj na vytváranie elektrických impulzov v bunkách pomocou svetla.
Odhodlaný neurológ
O ďalší prelom sa zaslúžil mladý výskumník zo Stanfordu. Keď Karl Deisseroth v 90. rokoch začal študovať medicínu, chcel sa stať neurochirurgom. Časť odbornej prípravy však absolvoval na psychiatrickej klinike, kde naňho hlboko zapôsobilo utrpenie pacientov. Vtedy začal premýšľať, ako môže mozog u rôznych ľudí fungovať tak odlišne. Prečo ľudia s depresiou tak ťažko prežívajú radosť? Čo spôsobuje autizmus alebo bludy pri schizofrénii?
Napokon získal doktorát z neurológie a pri laboratórnom výskume skúmal tenké rezy mozgu v Petriho miskách. Aj táto práca priniesla dôležité poznatky, no čoskoro si uvedomil, že ak chce porozumieť samotným ochoreniam, musí skúmať aj fungovanie nervových buniek v živom mozgu.
Aj ďalší vedci pracovali na metódach, ktoré by umožnili regulovať aktivitu určitých nervových buniek spôsobom, aký navrhoval Francis Crick. Mnohí sa však obávali, že plytvajú časom a peniazmi na niečo, čo vyzerá ako nereálny sen. Deisseroth sa napriek tomu rozhodol riskovať: liečba, ktorú dokázal svojim pacientom ponúknuť, bola zriedka účinná a často spôsobovala vážne vedľajšie účinky. Dospel k záveru, že ak chce nájsť lepšie terapie, musí sa o mozgu dozvedieť viac.
Keď si Deisseroth založil vlastnú výskumnú skupinu, začali hľadať bielkoviny, pomocou ktorých by dokázali vyvolávať elektrické impulzy v nervových bunkách.
Práve testovali niekoľko kandidátov, keď sa Deisseroth prvýkrát dozvedel o objave ChR2. Rýchlo kontaktoval Georga Nagela a požiadal ho o DNA, ktorá túto bielkovinu kóduje.
Keď DNA dorazila do Deisserothovho laboratória, výskumník ju vniesol do potkaních nervových buniek pestovaných v Petriho miskách. Spočiatku sa obával, že cudzí gén citlivé nervové bunky nepriaznivo ovplyvní, tie však zjavne začali produkovať ChR2 bez akýchkoľvek problémov. Keď ich výskumná skupina vystavila modrému svetlu, okamžite zareagovali. Svetlo vyvolalo nervový signál, ktorý sa mohol šíriť do ďalších nervových buniek.
Deisserothova výskumná skupina publikovala svoje výsledky v roku 2005. Dosiahla zásadný míľnik, hoci Deisseroth vedel, že k cieľu má ešte ďaleko: chcel riadiť aktivitu nervových buniek v živých zvieratách.
Strach na diaľkové ovládanie
Karl Deisseroth nadviazal množstvo spoluprác, okrem iného aj s Peterom Hegemannom a Georgom Nagelom. O svoj objav sa podelil aj s ďalšími odborníkmi, ktorí v ňom rozpoznali obrovský potenciál. Čoskoro objavili celý rad ďalších bielkovín, ktoré dokážu zapínať a vypínať nervové bunky a ktoré aktivujú svetelné signály s rôznymi vlnovými dĺžkami.
Nová metóda dostala v roku 2006 názov optogenetika. O rok neskôr sa Deisserothovi podarilo aktivovať nervové bunky v mozgu živých myší. Jeho výskumná skupina vniesla gén ChR2 do konkrétneho typu nervových buniek v motorickej kôre. Potom ich osvetlila pomocou tenkého optického vlákna zavedeného cez lebku.
Vďaka tomu dokázali ovládať pohyb hmatových fúzov myši.
V tom istom roku Deisseroth v spolupráci s ďalšími vedcami pomocou optogenetiky cielene prebúdzal spiace myši. Výskumná skupina vniesla ChR2 do nedávno objaveného typu nervových buniek, o ktorom sa predpokladalo, že reguluje bdelosť. Keď na tieto bunky nasmerovali svetlo, myši sa prebudili, čím sa hypotéza potvrdila.
Ďalšia známa práca z raného obdobia optogenetiky vyšla v roku 2012. Susumu Tonegawa a Deisseroth úspešne aktivovali engram, čiže pamäťovú stopu: špecifický vzorec nervových dráh, ktorý vzniká pri vytváraní spomienky. Vedci skúmali mozgy myší, keď zvieratá prežívali strach, a sledovali, ktoré nervové bunky sú aktívne pri vytváraní spomienky na tento zážitok.
Keď neskôr tieto nervové bunky opäť aktivovali, myši prejavovali známky strachu, hoci im v tej chvíli nehrozilo žiadne nebezpečenstvo.
Bol to prvý pokus, pri ktorom vedci dokázali presne preukázať, ktoré nervové bunky sú potrebné pre konkrétnu spomienku.
Nová éra neurovedy
Možnosť cielene aktivovať jednotlivé typy nervových buniek v mozgu zásadne zmenila naše chápanie tohto neuveriteľného orgánu. V mozgu dospelého človeka sa nachádza približne 90 miliárd nervových buniek, z ktorých každá vytvára tisíce spojení s ďalšími nervovými bunkami. Dráha vychádzajúca z jednej nervovej bunky často siaha do celkom inej oblasti mozgu, zatiaľ čo nervové bunky riadiace úplne odlišné telesné funkcie môžu byť navzájom tesne prepletené.
Pomocou optogenetiky dnes vedci dokážu presne určiť, ktoré nervové bunky v zložitom zväzku nervových vlákien riadia jednotlivé mozgové funkcie. Identifikovali napríklad nervové okruhy, ktoré riadia vnímanie bolesti, sociálne správanie, smäd, príjem potravy, odmeňovanie a pozornosť. Objavili aj nervové bunky zodpovedné za širokú škálu funkcií, od regulácie cirkadiánneho rytmu až po vznik horúčky pri aktivácii imunitného systému.
Pri skúmaní zložitejších foriem správania vedci zistili aj to, že jednotlivé zložky určitého správania môžu riadiť samostatné nervové okruhy. Jeden okruh napríklad riadi, ako myši zhromažďujú svoje mláďatá v hniezde, zatiaľ čo iný riadi starostlivosť o ne.
Optogenetika sa dá využiť aj na mapovanie funkcií buniek mimo nervového systému a mozgu. Deisseroth preukázal, že srdcový rytmus môže ovplyvňovať naše emócie: ak musí srdce pracovať intenzívnejšie, môže to zosilniť pocit úzkosti. Iní vedci identifikovali v čreve špecifické bunky, ktoré by mohli vysvetliť, prečo niektorí ľudia uprednostňujú cukor pred sladidlami. A to je len niekoľko z mnohých príkladov.
***
Odborníci vkladajú veľké nádeje do toho, že poznatky získané pomocou optogenetiky povedú k novým liečebným postupom, a tieto očakávania sa už začínajú napĺňať. Metóda priniesla hlbšie pochopenie charakteristík psychiatrických a neurologických porúch, ako sú depresia, úzkosť, schizofrénia, Alzheimerova choroba a Parkinsonova choroba.
Vedci už podnikli aj prvé kroky k využitiu optogenetiky priamo pri liečbe. V súčasnosti prebiehajú klinické skúšania, ktorých cieľom je obnoviť zrak ľuďom, ktorí oslepli v dôsledku pigmentovej retinitídy, ochorenia ničiaceho tyčinky a čapíky v oku.
Keď jednému z takýchto pacientov vniesli do sietnice bielkovinu podobnú ChR2, čiastočne sa mu vrátil zrak. Pomocou špeciálnych okuliarov vyžarujúcich svetlo dokázal rozlišovať predmety na stole a uchopiť ich.
Nádej existuje aj na zlepšenie fungovania kochleárnych implantátov pomocou optogenetiky. Tieto implantáty v súčasnosti stimulujú sluchový nerv elektrickým prúdom. Ak by namiesto toho bolo možné využiť optogenetiku, implantát by dokázal aktivovať sluchový nerv presnejšie.
