Napjaink idegtudományi eszköztárának egyik legérdekesebb eleme az optogenetika. Ez a módszer géntechnológiai eljárásokra épít, melyek lényege, hogy fényérzékennyé teszik a kísérleti állatok agyának bizonyos sejtjeit. Páratlan pontossággal lehet így irányítani a kísérleti állatok agyának működését, ez pedig már eddig is rengeteg izgalmas eredményt szült. A módszer rágcsálóknál kiválóan működik, azonban főemlősök esetében még nem kifejezetten megbízható. Egy új kezdeményezés ezen igyekszik javítani, úgy, hogy egy szabadon hozzáférhető adatbázisba gyűjti össze a főemlősökön végzett optogenetikai beavatkozások módját és kimenetét.
Miért olyan érdekes fénnyel aktiválni az idegsejteket?
Az optogenetika ereje abban rejlik, hogy általa rendkívüli pontossággal lehet befolyásolni az agyműködést. A genetikai ismeretek és módszerek lehetővé teszik, hogy a kutatók szinte tetszőleges sejtcsoportokat tegyenek fényingerelhetővé, így az agy optikai szállal történő megvilágítása csak ezekre a sejtekre fog hatni. A fény felvillanásai ráadásul olyan időskálán szabályozhatók, hogy akár a sejtek természetes tevékenysége is reprodukálható. Az idegrendszer működését általában kémiai vegyületekkel vagy elektromos ingerléssel szokták még befolyásolni, de az előbbi inkább az időben, míg az utóbbi inkább a térben nehezen kontrollálható. Tehát a jelen állás szerint az optogenetika a legprecízebb eszköz az agyműködés befolyásolására.
Magát az eljárást még a 2000-es években fejlesztettek ki, ebből a folyamatból két kulcsfontosságú mozzanatot érdemes kiemelni. Először is egysejtű algák (Chlamydomonas reinhardtii) vizsgálata során kiderült, hogy ezek sejtmembránjában olyan ioncsatornák találhatók, melyek fény hatására nyílnak ki. Ezeket opszinoknak nevezték el. Az algák életében az opszinok a fototaxis miatt fontosak, vagyis lehetővé teszi számura, hogy a fényt kövessék. A fény hatására az ioncsatornák kinyílnak, pozitív töltésű ionokat engednek a sejttestbe, a megváltozó belső ionkoncentráció pedig beindítja a sejt mozgását biztosító ostorok működését, így azok megindulnak a fény felé. Mivel az idegsejtek aktivációja is pozitív töltésű ionok sejttestbe áramlásán múlik, ezért felmerült, hogy ha az opszinokat idegsejtek membránjába lehetne helyezni, akkor azok akár a megvilágítás hatására is aktiválódhatnának.
A másik fontos lépés az volt, hogy a 90-es években a géntechnológia fejlődésének köszönhetően lehetővé vált az opszinok génjeinek célzott bejuttatása az idegrendszerbe, sőt jól körülhatárolható sejtcsoportokba. Először 2005-ben sikerült a génmanipulált egerek idegsejtjeit a koponyába ültetett fényszál segítségével aktiválni. Az eljárás jelentőségét azonnal felismerte a tudományos közösség, már 2010-ben az év módszerévé választották, és azóta a vezető idegtudományi lapokban megjelenő tanulmányoknak szinte elmaradhatatlan része az optogenetikai ingerlésen alapuló kísérlet.
Hogyan irányítsuk fotonokkal egy főemlős agyát?
Az optogenetika egyetlen gyengesége, hogy főleg egereken használják. Ennek az az oka, hogy a génmanipulációs eljárás ezekre az állatokra van optimalizálva, más emlősöknél nem feltétlenül működik. Pedig az optogenetikát szívesen használnák a kutatók olyan emlősökön is, melyek közelebbi rokonságban vannak az emberrel. Minél közelebbi rokon egy állatfaj, feltehetőleg annál nagyobb a hasonlóság az agyműködésükben is. Az egerek jó alanynak számítanak, jobbnak, mint mondjuk egy hal vagy egy hüllő, de egy közelebbi rokon, egy főemlős agyának vizsgálatával minden bizonnyal közelebb juthatnánk az emberi agy működésének megértéséhez.
A főemlős optogenetika azonban még gyerekcipőben jár. Ennek az az oka, hogy alapvető különbségek vannak az opszinok bejuttatásának módjában a rágcsálók és főemlősök között. A rágcsálóknál az embrionális őssejtekbe juttatnak be géneket, amiket aztán megfelelő anyák méhébe ültetnek, így fejlődnek ki és születnek meg a génmanipulált állatok. Főemlősök esetében ez a technika még nem alkalmazható. A főemlősöknél úgy helyezik az opszinok génjét az idegsejtekbe, hogy az állat agyába egy vírust fecskendeznek, ami az opszin génjét hordozza, így a sejtekbe jutva ezeknek a fehérjéknek az előállításába kezd. Ehhez be kell hatolni a koponyába és az agy megfelelő területére kell befecskendezni a vírust. Egyelőre azonban sok a kérdés a módszerrel kapcsolatban. Hova érdemes szúrni, ha egy bizonyos területet akarunk elérni? Milyen vírust használjunk? Milyen opszint használjunk? És így tovább.
A terület vezető kutatói szerint ezekre a kérdésekre jelenleg nem lehet empirikus adatokon nyugvó választ adni. A főemlős optogenetika olyan, mint a vudu: az egyes kutatócsoportok vakon ragaszkodnak a saját módszerükhöz, amely egyszer már bevált, anélkül, hogy tiszta képük lenne arról, hogy pontosan melyik lépésen mi múlik. Melyik vírussal lehet a leghatékonyabban fertőzni bizonyos sejteket? Melyik opszin a legmegfelelőbb egy bizonyos célra? Ezen kérdések megválaszolásával az optogenetika a főemlősök esetében is olyan jól működhetne, mint a rágcsálóknál. Az előrelépést azonban pont az akadályozta eddig, hogy a főemlősök nagyobb becsben vannak tartva a kutatólaborokban, mint a rágcsálók. A kutatók óvatosabban kísérletezgetnek a génmanipulációs technikákkal, így lassabban derül ki, mi válik be igazán.
Ezt az akadályt igyekszik ledönteni a Főemlős Optogenetikai Nyílt Adatbázis. Az adatbázisban 66 labor osztotta meg az általuk elvégzett több mint 1000 optogenetikai beavatkozás eredményeit. Az adatbázis kurátorai szerint a főemlős optogenetikával foglalkozó laborok legnagyobb része hozzájárult az adatbázishoz, ráadásul rengeteg olyan adattal is, amit tudományos publikációban még nem közöltek. A bejegyzésekben mindent aprólékosan leírtak a beavatkozások körülményeiről, így az adatok alapján lassacskán ki fog derülni, hogyan lehet a leghatékonyabban fénnyel ingerelhetővé tenni a főemlősök agyát.
Az első tanulságok a nyílt adatbázisból
Az adatbázis elemzése alapján született publikáció kiváló iránymutató lesz a későbbiekben. A különféle vírusok és opszinok mellé mostmár egy szám is társítható, ami azt mutatja, az esetek hány százalékában sikerült ingerelhetővé tenni a kísérleti majmok agyát. Az eredmények biztosan sokat fognak segíteni a kísérletezőknek, ami közös érdek, hiszen így csökkenteni lehet a már bizonyítottan rosszul működő változatok használatából adódó károkat világszerte.
A szakértők szerint a két legnagyobb probléma jelenleg abból adódik, hogy a főemlősök agya jóval nagyobb, mint a rágcsálóké. Egy rágcsáló agyában egy köbmilliméter jelentősnek számít, ekkora térfogatot tud fertőzni nagyjából egy beinjektált vírus. Egy főemlős agyában azonban ez nem túl sok, a kutatók általában ettől jóval nagyobb területre szeretnék eljuttatni a vírust. Ha több szúrással tennék ezt, az súlyos károsodáshoz vezetne, ami nyilvánvalóan nem előnyös. Egyesek azzal próbálkoznak, hogy nagyobb nyomással juttatják be a vírust tartalmazó oldatot az agyba, egy kutatócsoport pedig olyan vírusokkal próbálkozik, melyek képesek a vér-agy gáton keresztül behatolni, így akár az ereken át is beadhatók lennének és akár az egész agyat is elérnék.
A másik probléma szintén a főemlősök agyának méretéből adódik, ez pedig a fény korlátos terjedése a szöveten keresztül. A rágcsálók koponyáját egyetlen fényszál beültetésével át lehet világítani, ez képes az agy szinte bármely pontján lévő opszinokat aktiválni. A főemlősök agyában már nem ilyen egyszerű a helyzet, mivel egy-egy fényszál csak egy kisebb területen tudja megbízhatóan aktiválni az opszinokat. Ennek kiküszöbölésére egy kutatócsoport például fényt kibocsájtó diódákat tartalmazó lapocskákat használ, amik nagyobb agykérgi területeket is elérnek fényükkel. Egy másik kutatócsoport pedig olyan extrém fényérzékeny opszinokat fejlesztett, melyek egerekben akár a koponyán kívülről is aktiválhatók. Ez az opszin főemlősökben, talán lehetővé tenné, hogy a szerény fényszálak is aktiválhassák, akár az agy alapján elhelyezkedő opszinokat is.
Van még tehát min dolgoznia annak a 66 kutatólabornak, akik a főemlősök agyát szeretnék fénnyel kontrollálni. Az optogenetikában rejlő óriási lehetőségek azonban minden bizonnyal a főemlősökben fognak teljesen megmutatkozni.
Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2020/48. számában jelent meg.
