Lys på loftet: Hvordan optogenetik gør transhuman hjernehackning mulig

Biologi er meget som Legos, fordi alting er metaforisk set alt som Legos. Sandheden er, at vores kroppe, vores tilsyneladende sammenhængende helhed, faktisk består af utallige små dele, og at blandings- og matchende funktioner er kødfulde, blodige og ikke så vanskelige. For eksempel - og for at få denne logiske togrulle - kan du fremstille snap-in-place-neuroner, der er i stand til at generere og reagere på lys og derved etablere et helt nyt neurotransmittersystem, der ikke forstyrrer eksisterende systemer, en hjerne oven på hjernen.

Dette er ideen i hjertet (eller hovedet eller hvad som helst) af det nye felt af optogenetik. Som mange andre værktøjer i biologi er optogenetik baseret på biologien hos en anden organisme, der blev "lånt". I dette tilfælde er det et protein kaldet channelrhodopsin-2 (ChR-2), og det kommer fra de grønne alger, der hedder Chlamydomonas reinhardtii. Det viser sig, at der er mange lysfølsomme ionkanaler som denne. Tanken er at opbygge nye biologiske systemer baseret på mursten af ​​ChR-2.

Siden Karl Deisseroth konstruerede pattedyrsneuroner, der blev dyrket i laboratoriet for at udtrykke ChR-2 i 2005, har mange forskere tinkered med optogenetik ved at bruge det til at finde ud af, hvilke neuroner der gør. For eksempel modulerer en type neuron - kaldet neocortical parvalbumin neurons - 40 cykler per sekund rytmer i hjernen ("gamma oscillationer"). Det har i nogen tid været kendt, at gamma-svingninger er unormale hos både skizofrene og autistiske patienter, så der er i øjeblikket nye strategier til at undersøge og potentielt rette disse celler. Dette er en særlig spændende strategi. Selvom individets underliggende genetik producerer et unormalt resultat i disse celler, hvis forskere simpelthen kan tilsidesætte dette resultat, så ville disse genetik ikke have betydning.

For nylig har forskere også begyndt at eksperimentere med ideen om at skabe optogenetiske netværk ved brug af bioluminescerende celler. Fokus er især på den type bioluminescens, der blev opdaget af Osamu Shimomura i 1962, som er fra maneteret Aequorea victoria og reagerer på lys (Shimomura fik en nobel til sin forskning). Lysdannende celler og lysfølsomme celler er - at gentage metaforen - som de to sider af en Lego.

Ved at opmuntre vekselvirkninger mellem disse to celletyper kan forskere muligvis opnå hidtil usete niveauer af neuronal præcision. De vil også kunne få optogenetiske celler til at reagere på lys uden at lime en lommelygte til en muses hoved, hvilket er køligt - især for musen.

Men hvad med applikationer? En mulighed er at lave de meget celler, der reagerer på lys, generere det. Så når de er biologiske funktion sparker ind - siger de producerer leptin eller ghrelin, og derfor regulerer din appetit - de ville også lyse op og udløse systemet. Ved at gøre dette kan forskere potentielt ringe tilbage mængden af ​​ghrelin produceret, så folk bliver mindre sultne oftere. Eller de kunne tilpasse mængden af ​​insulin frigivet som reaktion på blodsukkerknuder. Eller de kunne oversvømme zonen med adrenalin, når personer bliver trætte.

Alternativt kan man hakke eksisterende systemer. For eksempel kan ved optogenetisk manipulere hæmmende neuroner i amygdalaen til at reagere på lys og aktivere neuroner i amygdalaen for at producere lette forskere genskabe folks hæmmerneuroner for at overvælde deres følelse af stress eller angst. Ingen mere angst. (Det kan godt føre til et spring i jobløshed, da folk slags vandrer for at forfølge deres glæde.)

Vi kunne blive mere avancerede: Måske kunne vi udtænke et system, hvor hver neuron i netværket udtrykker sin egen farve, og de optogenetiske celler kræver aktivering af hver kanal, for at deres effekt kan realiseres. Så i stedet for en enkelt neuronfyring skal en hel hukommelse aktiveres for at systemet skal kunne fungere. Måske kan de dårlige virkninger af visse minder blive dæmpet. Eller det hele kunne gøres for at reagere på et stof, så det er i stand til at blive tændt eller slukket af brugeren.

Under alle omstændigheder er der stadig store videnskabelige og lovgivningsmæssige forhindringer, før denne sci-fi-omløb starter alvorligt. For at sætte ting i perspektiv har FDA endnu ikke godkendt genterapeprocedurer, og kun én procedure er godkendt i Europa. Disse ting er langt væk.

Men det kommer.

Og det går ikke tabt på forskere, at optogenetiske celler også kan arbejde med hardware - at vi ikke kun kan hacke vores systemer ved hjælp af disse nye teknologier, men sætte os ind i et større system. Biologi er som Legos, men det er mindre som Legos, end det kunne være. Forvent at ændre.