Влезте в ролята си на неутрален и безпристрастен наблюдател!
Не обсъждайте, не дискутирайте!
Прекарайте цялата тази информация през златния си триъгълник!
Чували ли сте за оптогенетиката?
Относно технологията за промяна на поведението
15.03.2025, Джесика Роуз
Моля, гледайте това видео като въведение.
Авто-превод
Терминът оптогенетика е измислен от Карл Дийсерот, който е наричан бащата на предмета. През 2010 г. оптогенетиката беше обявена за „Метод на годината“ от Nature Methods, затвърждавайки статута си на променящ играта. Е, щом Nature казва така.
Нека се заровим.
Съществуват такива светлочувствителни протеини, наречени опсини, които могат или да активират, или да инхибират клетъчната активност, когато са изложени на светлина с определена дължина на вълната. Те се срещат естествено в организми като водорасли и бактерии.
Halobacterium salinarum, вид бактерии, използва светлина, за да регулира движението на йони през мембранен протеин, наречен бактериородопсин. Този протеин, активиран от светлина, изпомпва протони (H⁺) от клетката, за да генерира енергия, откритие, което вдъхнови областта на оптогенетиката. Оптогенетиката вече е добре установена дисциплина и включва въвеждане на чужди гени за светлочувствителни протеини в неврони, което позволява прецизен контрол и наблюдение на тяхната активност със светлинни стимули. Въпреки че самият бактериородопсин обикновено не се използва, той проправи пътя за опсини като каналродопсин и халородопсин, които движат този революционен подход. Не е ли удивително колко много експлоатираме силата и удивителните способности на бактериите?
Ето списък с опсини:
Каналродопсини (ChR): Когато бъдат ударени със синя светлина, тези протеини позволяват на положителните йони да навлязат в клетката, активирайки невроните (правейки ги на „огън“).
Халородопсини (NpHR): Когато са изложени на жълта светлина, те изпомпват хлоридни йони в клетката, заглушавайки или инхибирайки невроните.
Археродопсини: Те могат да се използват за хиперполяризиране на клетките, като също така ги заглушават със зелена или жълта светлина.
Един прекрасен ден изследователи от института Макс Планк идентифицираха ген във водорасли, кодиращ каналродопсин, мембранен протеин, който задвижва фототаксиса, като позволява йонен поток, предизвикан от светлина. Междувременно други брилянтни умове изследваха йонни канали в култивирани неврони и жабешки овоцити чрез електрофизиология. Чрез прехвърлянето на този неместен ген в нови гостоприемни клетки учените произведоха каналродопсин, давайки началото на оптогенетиката.
Интересното е, че каналът реагира на синя светлина: когато се въведе синя светлина, каналът ще се отвори и ще позволи на положително заредените йони да влязат в клетката. Интересното е, че има друг опсин, който реагира на оранжева светлина (халородопсин), чрез който изпомпва отрицателно заредени йони в клетката.
Чрез преместването на тези гени в нервните клетки и напълването на тези нервни клетки със способността да експресират тези чужди протеини, тези гении успяха да включват и изключват клетките с помощта на светлина. Когато нервните клетки бяха изложени на синя светлина, локализираните канали се отваряха и оставяха положителните йони да се разлеят в клетката. Този приток на + йони деполяризира клетката, измествайки потенциала на мембраната от нейното състояние на покой (напр. -70 mV) към по-положителна стойност и ако тази по-положителна стойност надвиши определен праг, възниква потенциал за действие! Това е функцията „включено“. Когато нервните клетки са били изложени на оранжева светлина, халородопсинът изпомпва отрицателно заредени йони в клетката, което има обратен ефект. Това е функцията „изключено“.
Мембранният потенциал е просто разликата в електрическия заряд (напрежение) през мембраната на клетката, създадена от неравномерното разпределение на йони (главно натрий, Na⁺; калий, K⁺; хлорид, Cl⁻; и отрицателно заредени протеини) вътре и извън клетката. В покой невронът има мембранен потенциал на покой от около -70 mV (миливолта), което означава, че вътрешността е отрицателно заредена спрямо външната страна. Това се поддържа от натриево-калиевата помпа (Na⁺/K⁺ ATPase) и селективни йонни канали, като нашия канал родопсин.
Потенциалът за действие е бърз, всичко или нищо електрически сигнал, който се движи по мембраната на възбудими клетки, като неврони или мускулни клетки. По същество това е начинът, по който тези клетки „стрелят“, за да предадат информация или да предизвикат реакция.
Потенциалът на действие е временна, драматична промяна в мембранния потенциал, задвижвана от движението на йони през волтаж-зависими йонни канали. Някои йонни канали пропускат йони навътре, докато някои помпи натискат йони навътре или навън, в зависимост от техния тип и заряд. В контекста на оптогенетиката, обаче, специално проектираните йонни канали пропускат положителните йони, а специално проектираните помпи вкарват отрицателните йони.
Да се върнем в миналото за малко носталгия. Ето снимка на гигантски аксон (нерв) на калмари от един от моите проекти по приложна математика от миналото!
Господи, обичах тези дни. Работих толкова усилено, но в същото време беше толкова лесно, защото много го обичах. Получих 100% за този проект. През 2002 г. Правя това дълго време. Просто исках да ви покажа как управлява многополюсен невронен човек, защото той е толкова сладък.
Така че оптогенетиката е въвеждането на гени в клетки, които не ги носят естествено, при което получените протеини, веднъж експресирани, могат да бъдат контролирани и наблюдавани със светлинни стимули в неврони на живи мозъци, клетки на сърдечния мускул и култивирани клетки. Начинът, по който тези гени се въвеждат, е чрез вируси или чрез използване на CRISPR-Cas9. (Какво е КРИСПЪР, Видео: Как работи КРИСПЪР)
Най-често срещаният подход за въвеждане на неместни гени е използването на вирусни вектори, особено адено-асоциирани вируси (AAVs) или лентивируси, които ефективно доставят опсин гени в целевите клетки (напр. неврони). Те се използват широко, защото могат да заразят неделящи се клетки като невроните и да осигурят силна, стабилна експресия.
CRISPR-Cas9 също се използва в оптогенетиката, въпреки че в момента е по-рядко срещан от вирусните вектори за рутинни приложения. Неговото прецизно редактиране на генома позволява интегриране на опсиновите гени в специфични места (на ДНК-то), което позволява стабилна, наследствена експресия, като например при трансгенни животни или клетъчни линии. Редакциите на CRISPR са постоянни и се наследяват, което го прави идеален за този тип приложения.
Оптогенетиката играе важна роля в картографирането на невронните вериги, като ни помага да разберем как специфични мозъчни региони и типове клетки допринасят за поведение като движение, памет, страх, пристрастяване и дори сън. Използва се и за изследване на болести като Паркинсон, епилепсия, депресия и слепота. Използва се и за възстановяване на зрението! Това е много вълнуващо за мен: в младостта ми имаше две неща, които исках да се случат през живота ми: възстановяване на зрението и възстановяване на увреждания на гръбначния стълб.
Сега, ако се чудите дали те вече контролират нашите неврони, като са въвели тези гени в нас, нямам отговор за вас. Това, което мога да ви кажа е, че то е насочено към специфични типове клетки, без да засяга близките клетки, за разлика от електрическата стимулация и ефектите спират, когато светлината се изключи. Може би за това са всички онези глупави новомодни „улични светлини“? Майтап, не е майтап.
Твърдението е, че за да бъде „мозъчният контрол“ реално нещо, устройствата за доставяне на светлина също трябва да бъдат имплантирани в допълнение към генетичната модификация на мозъчните ни клетки и не мисля, че все още сме стигнали дотам.
Само едно последно нещо, което ме накара да се смея много силно. Включих тези последни два абзаца в Grok (ИИ) и го помолих да коментира, очаквайки, че ще ме „засмее“ и дори ще ми се подиграе. Ето какво върна то:
Коментарът ви е забавна смесица от спекулации, хумор и наука и е основан най-вече на реалността, докато закачливо изследва сценарии „какво ще стане, ако“. Нека да го разбием, да проверим точността му и да го прецизираме малко за яснота и поток, запазвайки тона ви непокътнат.
Предимно основано на реалността, а? Добре-ее тогава.
То разработи подробно „нещото с уличното осветление“:
Обичайте атмосферата на конспирацията! Уличните светлини не излъчват точната дължина на вълната (напр. 470 nm синьо, 590 nm оранжево) или интензитет, необходими за оптогенетиката, нито могат да се насочат към генетично модифицирани клетки през черепа. Това е смешно „ами ако“ и „шегувам се, не се шегувам“ го поддържа леко. Няма проблем с фактите – явно е шега.
Ясно.
Ето изискванията за оптогенетичен контрол на ума, в случай че се интересувате. Насладете се!
1. Опсиновите гени в невроните: Хората ще се нуждаят от предварителна генетична модификация (напр. чрез вирусни вектори като AAVs), за да експресират ChR2 или NpHR.
2. Нарушаване на ВВВ (кръвно-мозъчната бариера): Ако ЕМП на малките клетки отворят ВВВ, векторите за доставка на ген теоретично биха могли да влязат в мозъка неинвазивно (напр. чрез кръвен поток или спрей за нос). Това е спекулативно – AAV могат да преминат през отслабен BBB, но не е ефективно без подобрение (напр. ултразвук).
3. Доставяне на светлина: Уличните светлини при 470 nm/590 nm ще трябва да достигнат тези модифицирани неврони с достатъчно мощност, за да задействат опсините.
