Премию объявили 5 октября. Нобелевский комитет сформулировал заслугу лауреатов как «открытия, касающиеся управляемых светом ионных каналов и оптогенетики».
Сегодня этот метод используют тысячи лабораторий: с его помощью изучают память, сон, страх, зависимости, движение и другие функции мозга.
Всё началось с зелёной водоросли
Основой технологии стали белки каналродопсины.
Петер Хегеман и Георг Нагель исследовали, как одноклеточная зелёная водоросль Chlamydomonas reinhardtii реагирует на свет. В её клетках обнаружились белки, способные работать как крошечные световые выключатели.
Когда на такой белок попадает свет определённой длины волны, он открывает канал в клеточной мембране. Через него начинают проходить заряженные ионы, меняя электрическое состояние клетки.
Для водоросли это способ ориентироваться на свет. Для нейробиологов механизм оказался почти готовым инструментом управления нервными клетками.
Нейроны получили световой выключатель
В 2005 году команда Карла Дайссерота вместе с коллегами показала, что каналродопсин-2 можно встроить в нейроны млекопитающих.
После этого короткая вспышка синего света вызывала электрический импульс в выбранной нервной клетке. Причём реакцией можно было управлять с точностью до миллисекунд.
До этого исследователи часто стимулировали мозг электрическими импульсами. Но электрод воздействует сразу на множество расположенных рядом клеток.
Оптогенетика позволяет сначала генетически сделать светочувствительным конкретный тип нейронов, а затем управлять именно им.
Это дало возможность не просто наблюдать, какая область мозга активна во время определённого поведения, а проводить обратный эксперимент: включить нужные клетки и посмотреть, что произойдёт.
Светом можно вызвать страх, сон и даже воспоминание
За два десятилетия оптогенетика стала одним из основных инструментов нейробиологии.
Например, учёные могут активировать определённую группу нейронов у мыши и посмотреть, заставит ли это животное проснуться, начать искать пищу или испытать страх.
Особенно эффектно выглядят эксперименты с памятью. RidLife недавно рассказывал, как исследователи с помощью оптогенетики активировали нейроны, связанные с конкретными воспоминаниями. В опытах на мышах удалось даже сформировать ложную связь между безопасным местом и неприятным событием.
В других экспериментах свет используют для изучения сна. Исследователи Университета Джонса Хопкинса, например, стимулировали определённые нейроны таламуса и вызывали у мышей поведение, предшествующее глубокому восстановительному сну.
Почему обычной томографии для этого недостаточно
МРТ и другие методы показывают, какие участки мозга работают во время определённой задачи. Но совпадение активности с поведением ещё не объясняет, является ли конкретная группа клеток его причиной.
Оптогенетика позволяет проверить это напрямую.
Если при включении определённых нейронов животное начинает двигаться определённым образом, а при их подавлении перестаёт, исследователь получает гораздо более убедительное свидетельство функции этой цепи.
Так учёные разбирают мозг не только по отдельным областям, но и по конкретным нейронным сетям.
От лабораторного инструмента — к медицине
Большинство экспериментов с оптогенетикой пока проводят на животных. Для метода нужно доставить ген светочувствительного белка в клетки и обеспечить доступ света к нужной ткани, что сильно усложняет применение в человеческом мозге.
Но отдельные медицинские направления уже дошли до испытаний на людях.
Одно из самых продвинутых связано со зрением. При некоторых заболеваниях сетчатки погибают фоторецепторы, но другие нервные клетки остаются живы. Исследователи пытаются снабдить их светочувствительными белками и тем самым частично вернуть способность реагировать на свет.
Оптогенетические инструменты также помогают изучать механизмы болезни Паркинсона, эпилепсии, депрессии, хронической боли и зависимостей.
При этом даже если сам световой метод никогда не станет массовой терапией мозга, он уже позволяет находить конкретные цепи нейронов, на которые затем можно воздействовать лекарствами, электрической или магнитной стимуляцией.
Метод изменил сам способ изучения мозга
До появления оптогенетики нейробиологи в основном наблюдали за активностью мозга и пытались понять, что она означает.
Теперь исследователь может выбрать группу клеток, включить её буквально на несколько миллисекунд и увидеть последствия.
Именно эта возможность превратила светочувствительный белок обычной зелёной водоросли в один из главных инструментов современной нейробиологии.
Спустя два десятилетия после первых опытов с нейронами эта технология принесла её создателям Нобелевскую премию.
