Gehirnkontrolle mit Licht: Mit Optogenetik ist dies möglich

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Medizinische Wissenschaftler untersuchen das Gehirn seit mehr als fünfhundert Jahren - und nach all dieser Zeit birgt das rätselhafte Organ immer noch viele Geheimnisse. Schließlich hat sich in den letzten Jahren eine neue Technik namens „Optogenetik“ herausgebildet, die Wissenschaftlern helfen kann, die Geheimnisse des Gehirns (und seine Störungen) auf völlig neue Weise zu entschlüsseln.

Warum brauchen wir Optogenetik?

In vielerlei Hinsicht ist es erstaunlich, dass Psychopharmaka überhaupt wirken. Der Stand der Technik - das Beste, was die moderne Wissenschaft tun kann - läuft darauf hinaus, das Gehirn in ein chemisches Bad zu tauchen und zu hoffen, dass es das tut, woran wir interessiert sind. Und... es funktioniert irgendwie! Manchmal.

Es gibt Medikamente, die sehr wirksam bei der Behandlung von Depressionen, Zwangsstörungen, bipolaren Störungen und Parkinson sind. Sie sind oft mit unangenehmen Nebenwirkungen behaftet. Die Medikamente, die gut wirken, wurden oft nur durch Versuch und Irrtum entdeckt. In vielen Fällen haben Wissenschaftler kein detailliertes Verständnis dafür, wie das Gehirn funktioniert, um eine normale Funktion zu erreichen - oder wie es funktioniert, wenn es nicht richtig funktioniert. Diese Wissenslücken lassen sich mit herkömmlichen Methoden zur Untersuchung des Gehirns nur schwer schließen und schränken die Fähigkeit zur Entwicklung wirksamer Therapien ein.

Was Psychiater und Neurologen wirklich gerne hätten, ist ein vollständiger Lese- / Schreibzugriff auf das Gehirn: die Fähigkeit, in den Kopf eines Menschen zu greifen und ihn zu erregen oder Unterdrücken Sie beliebige Gruppen von Neuronen mit Einzelneuronenauflösung, damit wir die dysfunktionellen Populationen isolieren und ihr Verhalten in korrigieren können Echtzeit. Leider ist es unpraktisch, jemandem den Kopf aufzubrechen und Drähte zu jedem Neuron zu verlegen.

Das Versprechen der Optogenetik besteht darin, dass Ärzte tatsächlich etwas erreichen können, das diesem Zugang nahe kommt.

Wie Wissenschaftler Licht verwenden, um das Gehirn zu kontrollieren

So funktioniert es: Zunächst injizieren Forscher dem Probanden ein gentechnisch verändertes Virus, das zur Infektion von Gehirngewebe entwickelt wurde. Hunderte Milliarden Kopien des Virus überfluten das Gehirn und injizieren ihre Nutzlasten in Nervenzellen, wenn sie ihnen begegnen.

Diese Viren sind nicht schädlich: Anstatt eine böswillige, sich selbst replizierende Nutzlast bereitzustellen, wurden diese Viren von entwickelt Wissenschaftler liefern einen gutartigen DNA-Strang, der für spezielle Oberflächenproteine ​​kodiert, die auf bestimmte Wellenlängen des Lichts reagieren. Die Viren dienen einfach als Einwegspritzen, um die spezielle DNA an die Zellen abzugeben.

Die Neuronen enthalten diese spezielle DNA und exprimieren bei richtigen Bedingungen Oberflächenproteine, die sie zum Feuern bringen wenn mit Licht stimuliert - die gleichen Arten von Proteinen, die von menschlichen Netzhautzellen verwendet werden, um Licht und Form zu erfassen Bilder. Indem die DNA so verändert wird, dass sie wählerischer ist, wenn sie sich selbst exprimiert, können Wissenschaftler auswählen, welche Arten von Neuronen (es gibt Tausende von Sorten) das Oberflächenprotein exprimieren und auf Licht reagieren.

Dann durch sorgfältige Kontrolle, wo Licht auf das Gehirn scheint, die spezifischen Stellen, die stimuliert werden oder Niedergedrückt kann mit einer Genauigkeit von weniger als einem Millimeter gesteuert werden, ein Grad an Kontrolle, der zuvor noch nie erreicht wurde möglich. Noch besser ist, dass viele Bereiche des Gehirns betroffen sein können, ohne dass Drähte in die Hirnsubstanz geschnitten oder durch diese geführt werden müssen, was das Verfahren viel sicherer macht als herkömmliche Formen der Hirnstimulation.

Laut Ed Boyden, Professor für Bioingenieurwesen und Neurowissenschaften am MIT,

Wenn Sie Zellen im Gehirn kontrollieren können, können Sie herausfinden, was ihre Kraft ist, was sie beeinflussen können - und auch, wenn Sie Zellen im Gehirn kontrollieren können kann aberrante Gehirnzustände beheben, und Sie können neue Arten der Therapie erstellen, indem Sie die Berechnungen neu formen, die in einer neurologischen oder psychiatrischen Klinik schief gelaufen sind Störung

Sie können sich einen ziemlich technischen (aber äußerst interessanten) Vortrag über die folgenden Techniken und Methoden ansehen:

Was können Sie mit Optogenetik tun?

Stellen Sie sich vor, ein Forscher möchte besser verstehen, wie Depressionen funktionieren. Der Forscher sammelt also einige depressive Mäuse (fragen Sie nicht, wie Forscher depressive Mäuse erzeugen, Sie möchten es nicht wissen) und beginnt mit dem Testen.

Sie überprüfen verschiedene Arten von Neuronen und verschiedene Regionen des Gehirns und sehen, was passiert, wenn Sie diese Bereiche und diese Arten von Neuronen stimulieren oder unterdrücken. Einige Versuchsgruppen werden glücklicher - andere depressiver: die meisten tun beides nicht. Durch Eingrenzen, welche Populationen verwandt sind und wie sie sich auf das Ergebnis auswirken, erstellt der Forscher langsam eine tiefe, detaillierte Funktionskarte des Gehirns: Isolieren der Maschinen der Freude.

Dies ist die Art von Experiment, die die Optogenetik ermöglicht, und sie soll Wissenschaftlern ein tieferes Verständnis der verschiedenen mentalen Funktionen und der Möglichkeiten vermitteln, wie sie etwas falsch machen können.

Die Optogenetik hat bereits zu interessanten potenziellen Einsichten in die auditorischen Halluzinationen der Schizophrenie geführt. Laut Dr. Karl Deisseroth von der Stanford University ist es jetzt scheint wahrscheinlich dass die Stimmen tatsächlich normale Bestandteile des internen Monologs sind, die als externer Einfluss missverstanden werden.

„Es kann eine schlecht erkannte Version innerer Gedanken sein. Irgendwie geht die Information verloren, dass ein Gedanke wirklich von sich selbst kommt. Es wird als eine fremde Sache angesehen, eine Stimme, die spricht. […] [Vor der Optogenetik] gab es keine Möglichkeit, dies zu wissen, da es keine Möglichkeit gab, [die Zellen] auf der richtigen Zeitskala selektiv zu steuern. “

Diese Art von Einsichten ist wissenschaftlich wichtig und könnte zu besseren Medikamenten und Therapien führen sowie alte Rätsel beantworten die Natur des Bewusstseins und der Intelligenz Denkmaschinen: Was Neurowissenschaften und künstliche Intelligenz uns über Bewusstsein lehren könnenKann der Bau künstlich intelligenter Maschinen und Software uns etwas über die Funktionsweise des Bewusstseins und die Natur des menschlichen Geistes selbst lehren? Weiterlesen .

In naher Zukunft könnten Ärzte in der Lage sein, die Erkenntnisse, die sie aus diesen Experimenten gewinnen, zu nutzen, sie umzudrehen, und verwenden Sie die Optogenetik bei tatsächlichen Patienten, um die neurologischen Aktivitäten zu beeinflussen, die dazu beitragen Depression. Die Optogenetik ermöglicht es Ärzten, das Gehirn nicht nur zu untersuchen, sondern es auch weitaus präziser zu verändern, als dies bisher möglich war.

Einen Sanity Hat bauen

Leider ist es wahrscheinlich nicht möglich, die Optogenetik nicht-invasiv beim Menschen anzuwenden. Der Schädel ist einfach zu dick, daher müssen Glasfaserkabel durchgeführt werden. Dies ist eine große Operation, mit der Risiken verbunden sind, die über das hinausgehen, was normalerweise mit dem Beginn eines Kurses für Psychopharmaka verbunden ist.

Die fraglichen Therapien haben jedoch das Potenzial, viel wirksamer zu sein und weniger Nebenwirkungen zu haben, so dass es sich für viele Patienten wahrscheinlich lohnt. Es wurden bereits Untersuchungen zur Verwendung von Elektrizität durchgeführt Hirnschrittmacher zur Behandlung schwerer Depressionenund die Ergebnisse sind sehr vielversprechend. Zukünftige Therapien, die auf Optogenetik basieren, werden wahrscheinlich weniger invasiv und effektiver sein: Sobald das Gehirn richtig positioniert ist Glasfaserkabel, die möglicherweise durch die Nase eingeführt werden, um eine Schädelverletzung zu vermeiden. Der Rest der Hardware kann einfach extern aufbewahrt werden Zugriff. Das Implantat selbst (die Glasfaserkabel und Laserdioden) würde nur Strom und ein Steuersignal benötigen, Dinge, die eines Tages drahtlos bereitgestellt werden könnten.

Der Rest der Hardware (Computer, Akku usw.) kann möglicherweise extern getragen werden, sodass der Arzt des Patienten sie nach Bedarf neu programmieren kann, ohne dass eine zusätzliche Operation erforderlich ist.

Neben der Korrektur von psychischen Erkrankungen bietet die Optogenetik auch einen viel biokompatibleren und weniger invasiven Weg zur direkten stimulieren Nervenzellen im Gehirn und im Körper als herkömmliche implantierte Elektroden, was einen großen Beitrag dazu leisten würde Herstellung Leistungssteigernde Implantate im transhumanistischen Stil Einstecken von Gehirn und Körper - Die Zukunft implantierter ComputerAngesichts des aktuellen Trends technischer Innovation und Weiterentwicklung ist jetzt ein guter Zeitpunkt, um den Stand der Technik in Bezug auf Computer-Mensch-Technologien zu erkunden. Weiterlesen praktischer.

Um es klar auszudrücken, ist dies alles noch weit entfernt: Die Optogenetik ist derzeit ein weit verbreitetes Forschungsinstrument (wir haben es getan) behandelte Experimente mit ihm vor Das Lichtgedächtnisexperiment beeinflusst das Gehirn von Mäusen wie ein MIB-NeuralyzerErinnerst du dich, als Will Smith und Tommy Lee Jones den Neuralyzer benutzten, um die Erinnerungen der Menschen zu löschen? Nun, UC Davis-Forscher haben erfolgreich bestimmte Erinnerungen in Mäusen mit Licht "gelöscht". Weiterlesen ). Seine Rolle als klinische Therapie ist jedoch mindestens ein oder zwei Jahrzehnte entfernt und kann durchaus durch andere Techniken ersetzt werden, die ähnliche Ergebnisse weniger invasiv liefern können.

Trotzdem ist die Aussicht aufregend und einige Anwendungen können früher kommen. Zum Beispiel ist es möglich Optogenetik zu verwenden, um bessere Cochlea-Implantate mit viel größerer Präzision zu bauen.

Ist das nicht alles wirklich beängstigend?

Einige von Ihnen, die dies lesen, ziehen bereits ihre Alufolienhüte enger um Ihre Ohren, und das ist völlig fair: Diese Art des Zugangs zum Gehirn ist außerhalb einer bestimmten Marke hysterischer Wissenschaft beispiellos Fiktion. Das Missbrauchspotential ist zumindest eine Diskussion wert.

Wenn Sie genug Kontrolle über das Gehirn ausüben können, um Depressionen, Schizophrenie und Persönlichkeitsstörungen zu beheben, könnten Sie dies tun Sie können auch genügend Kontrolle ausüben, um die sexuelle Orientierung einer Person neu zu programmieren - oder lautstarke Kinder lobotomisieren und Gefangene. Das Risiko, dass Eltern versuchen, diese Technologie zu nutzen, um ihren Kindern Identitätsänderungen aufzuzwingen, besteht eine, die völlig neue ethische Bedenken aufwirft, mit denen sich die Medizin zum ersten Mal befassen wird je.

Darüber hinaus sind aus Sicht der einfachen Computersicherheit viele moderne medizinische Geräte einfach nicht sicher genug und können in einigen Fällen drahtlos gehackt werden. Diese Art von Kompromiss ist beängstigend genug mit einem Schrittmacher, aber es wird wirklich schrecklich, wenn man die Aussicht in Betracht zieht, dass ein Angreifer (möglicherweise) ohne Erlaubnis Affen in Ihrem Kopf herumlaufen könnte.

Die Wissenschaftler, die an diesen Therapien arbeiten, sind sich dieser Probleme nicht unbewusst. Karl Deisseroth brachte im gleichen oben zitierten Interview den gleichen Punkt vor:

„Die Spezifität der Optogenetik wirft die Frage auf, wie genau man ein Gehirn optimieren kann, um wirklich ein Individuum zu schaffen Bei unterschiedlichen Bedürfnissen, Wünschen, Prioritäten, Gefühlen […] gibt es auch einen beunruhigenden Aspekt, der Fragen nach Freiheit aufwirft werden."

Dennoch sind diese Bedenken verblasst im Vergleich zu der enormen Zahl von Menschen, die schrecklich an derzeit unbehandelbaren psychiatrischen Erkrankungen leiden, bei denen die Optogenetik möglicherweise helfen kann. Diese Technologie ist nützlicher als gefährlich und kann, da sie in den nächsten Jahrzehnten entwickelt wird, die Natur der psychischen Gesundheitstherapie radikal verändern.

Was denken Sie? Beängstigend, cool oder irgendwo dazwischen? Hat die Optogenetik das Potenzial, Ihnen persönlich zu helfen? Lass es uns in den Kommentaren wissen!

Bildnachweis: Neuronen Über Shutterstock, "Alufolie," von Russ Walker