دع النور يعبر إلى هناك

تطورات مذهلة في مجالات بحثية مختلفة وبعيدة نضجت في بداية القرن الحادي والعشرين إلى قاعدة التركيب التي تمكن من التحكم في نشاط الدماغ من خلال الضوء. يصف عوفر يزهار العملية التاريخية التي بلغت ذروتها في تنشيط خلايا المخ الحيواني باستخدام الأشعة الضوئية

دكتور عوفر يزهار، أوديسي

في إعلان صدم العالم، أعلن فرانسيس كريك وجيمس واتسون في عام 1953 أنهما فكا رموز بنية الحمض النووي وأدخلا الحلزون المزدوج. هذا الاكتشاف، الذي غير علوم الحياة بطرق عديدة، فتح نافذة على عالم العلوم لمجال جديد ومثير - البيولوجيا الجزيئية.

أدرك كريك أن البروتينات، "الآلات الجزيئية" التي تؤدي معظم الوظائف البيولوجية للكائن الحي، يتم إنتاجها وفقا "للتعليمات" المكتوبة في المادة الوراثية. الجينات، تسلسلات طويلة من قواعد الحمض النووي، تشفر تسلسل البروتينات وتشكل "كتاب التعليمات" لإنشاء جميع بروتينات الجسم.

خلال العقد الذي تلا هذا الإنجاز، صاغ كريك "العقيدة المركزية" للبيولوجيا الجزيئية. وبعد ذلك، عندما قرر أن الأسئلة الأساسية في البيولوجيا الجزيئية قد تم حلها، تحول كريك للتعامل مع سؤال بنفس القدر من الصعوبة والإثارة والإثارة. أراد أن يعرف ما هي الأسس البيولوجية للوعي البشري.

انتقل كريك من إنجلترا إلى الولايات المتحدة وعمل كعالم زائر في معهد سالك في سان دييغو. هناك، محاطًا بأفضل العقول الشابة في عالم العلوم، بدأ في التعامل مع مسألة الوعي. بصفته عقلانيًا متميزًا، اعتقد كريك أن أفكارنا ومشاعرنا ومفهومنا الذاتي - كل ما يجعلنا بشرًا - هي نتيجة مباشرة للنشاط الكهربائي والكيميائي لعشرات الملايين من الخلايا العصبية (الخلايا العصبية) في الدماغ البشري.

وكان يرى (خلافًا لرأي الكثيرين في هذا المجال) أن مسألة الوعي لا ينبغي أن تترك كمجال للنقاش الفلسفي فقط. وزعم أنه من الممكن الحصول على الوعي وتفسيره باستخدام الأدوات العلمية والمنهج العلمي الأساسي. وهذا بالطبع بشرط طرح الأسئلة الصحيحة.

بعد عمل كريك واكتشاف الشفرة الوراثية، تعرفت البيولوجيا الجزيئية على وحدات البناء الأساسية (قواعد الحمض النووي). في وقت مبكر من أواخر السبعينيات، كان من الممكن قراءة الشفرة الوراثية، وتغييرها بوسائل بسيطة نسبيا، ودراسة نتائج هذه التغييرات الجينية من أجل فهم دور وتأثير جينات معينة. وفي المقابل فإن الدماغ، وهو العضو المسؤول عن تطور الوعي وفق المفاهيم العلمية الحديثة، كان يكاد يكون بمثابة "الصندوق الأسود".

على مساحة لا تقل عن ملليمتر مكعب واحد في الدماغ، تنتشر العشرات من الأنواع المختلفة من الخلايا العصبية، التي تؤدي إجراءات مختلفة وتتصل ببعضها البعض عن طريق عشرات الآلاف من الوصلات العصبية (المشابك العصبية). قد تكون خليتان عصبيتان متصلتان ببعضهما البعض وتشاركان في أداء إجراء معين، أو تمثلان عنصرًا واحدًا من المعلومات، بعيدتين جدًا عن بعضهما البعض، وفي معظم الحالات لا يمكن عزل الوحدات الوظيفية بناءً على ذلك. موقع الخلايا العصبية المشاركة فيها.

على سبيل المثال، في جميع أجزاء الدماغ تقريبًا، يمكنك العثور على نوعين من الخلايا العصبية: الإثارة والمثبطة. تعمل الخلايا العصبية المثيرة على زيادة نشاط جيرانها، في حين أن الخلايا العصبية المثبطة تفعل العكس تمامًا - فهي تضعفها.

ومع ذلك، في جميع أنحاء الدماغ، وخاصة في القشرة الدماغية، يتم خلط الخلايا العصبية من كلا النوعين معًا، بحيث لا يمكن فصلها إلا وفقًا لخصائصها الجينية. هذه الشبكة المتفرعة، على الرغم من تعقيدها، هي أيضًا ديناميكية للغاية، والمشابك العصبية قادرة على التعزيز والإضعاف والتشكل والاختفاء استجابة للتغيرات في وظيفة الشبكة.

إن التعقيد المذهل لهذا النظام هو أيضًا السبب الرئيسي للصعوبة الكامنة في أبحاث الدماغ. ومن أجل عزل تأثير خلية عصبية واحدة، أو مجموعة من الخلايا العصبية، أو منطقة كاملة من الدماغ، هناك حاجة إلى أدوات يمكنها التعامل مع هذا التعقيد. وفي مقال نشره كريك عام 1979 في صحيفة "ساينتفيك أمريكان"، كتب أن "التحدي الكبير الذي يواجه أبحاث الدماغ هو الحاجة إلى التحكم بدقة كبيرة في عمل خلية عصبية واحدة دون التأثير على جيرانها".

يعتقد كريك أن النهج متعدد التخصصات، الذي يجمع بين البيولوجيا الجزيئية والتقنيات الجديدة للتنشيط الدقيق للوحدات الوظيفية في الدماغ والأساليب المبتكرة لتحليل البيانات، هو وحده القادر على تقريبنا من فهم أعمق لعمل الدماغ والوعي.

البكتيريا المحبة للملح "ترى النور"

في عام 1973، قبل ست سنوات من صياغة كريك لفرضيته حول الدماغ والإشارة إلى الحاجة إلى أساليب جديدة، كان عالمان من جامعة سان فرانسيسكو يعملان على البروتينات الميكروبية (البروتينات الموجودة في الكائنات الحية الدقيقة) في أحواض الملح في جنوب خليج سان فرانسيسكو. وفي الدراسة، فإن أي صلة بينها وبين أبحاث الدماغ تبدو محض صدفة بحتة، فقد حاول ديتر أوسترهالت ووالتر ستوكينيوس معرفة كيف تمكن نوع قديم من بكتيريا الأركيا من البقاء على قيد الحياة في الظروف شبه المستحيلة المتمثلة في الملوحة العالية وانخفاض تركيز الأكسجين، التي كانت سائدة في برك الملح.

وجد أوسترهالت وستوكينيوس أنه من أجل التغلب على الظروف المعيشية المستحيلة، فإن هذه الكائنات وحيدة الخلية قادرة على دفع أيونات الهيدروجين خارج البيئة داخل الخلايا، وبالتالي خلق وضع حيث، بسبب تركيزها المنخفض داخل الخلية، تتجمع أيونات الهيدروجين "أطمح" للعودة إليها لخلق التوازن الكهروكيميائي. أثناء عودتها إلى الخلية، تقوم أيونات الهيدروجين بتنشيط نظام إنتاج الطاقة، القادر، في حالة غياب الأكسجين، على تزويد الخلية بجميع احتياجاتها.

كما أصبح من الواضح في البحث أنه لكي يتم تشغيل هذا النظام "الاحتياطي" بنجاح وينجح في إنتاج الطاقة، هناك حاجة إلى شيء واحد - الضوء. ووجد أوسترهالت وستوكينيوس أن "المضخة الأيونية" هي المسؤولة عن بروتين واحد يستخدم الطاقة الضوئية لضخ أيونات الهيدروجين إلى خارج الخلية.

أطلقوا على هذا البروتين اسم باكتيريهودوبسين، وهو اسم مكون من كلمتين - بكتيريا (بكتيريا) ورودوبسين، وهو اسم البروتين الموجود في خلايا الشبكية لجميع الحيوانات البصرية. وفي الأخير، يقوم بروتين رودوبسين بتحويل الطاقة الضوئية التي تصل إلى شبكية العين إلى إشارات كيميائية/بيولوجية، وبالتالي تمكين الرؤية. إذن، كانت باكتيريهودوبسين نوعًا من المعادل البكتيري لبروتين الرؤية المألوف.

أحدث اكتشاف البكتريودوبسين ضجة كبيرة، وبمرور الوقت تعمق فهم آلية عمل هذا البروتين المعجزة. وصفت الدراسات، خطوة بخطوة، العمليات الجزيئية التي تحدث في البروتين منذ لحظة تعرضه لفوتون واحد (جسيم ضوئي) حتى نقل أيون هيدروجين واحد. استمر عالم الفيزياء الحيوية في العثور على بروتينات جديدة، أعضاء في عائلة بكتيريا الرودوبسين، التي تحول الطاقة الضوئية، وتوصيف هذه البروتينات الفريدة مع تعميق بنيتها ووظيفتها.

وهكذا، على سبيل المثال، يتم استخدام بروتين الهالورودوبسين (halorhodopsin)، الذي تم اكتشافه في أواخر السبعينات، بشكل مشابه للبكتريورودوبسين، كمضخة أيونية، ولكن على عكس البكتيريا رودوبسين، فإن الهالورودوبسين يسحب أيونات الكلور (ذات الشحنة السالبة) من البيئة خارج الخلية. في الخلية. خلال تلك الفترة بأكملها من التجارب والنجاحات، كان هذا الفرع من البحث جزءًا من الفيزياء الحيوية وعلم الأحياء الدقيقة، ولم يكن هناك أي اتصال، على ما يبدو، بين هذا العالم ودراسة الدماغ.

عمر الجينوم، اكتشاف تشانيلرودوبسين

ومع نهاية التسعينيات، نضجت التكنولوجيا التي أتاحت قراءة التسلسل الجينومي، قاعدة بعد قاعدة، - تسلسل قاعدة الحمض النووي - في المادة الوراثية لكائنات كاملة. ما بدأ بـ "مشروع الجينوم البشري"، توسع ليشمل جهدًا لقراءة وفهم جينومات جميع الأنواع التي كانت ذات أهمية لعالم العلوم بطريقة ما. بدأت المجموعات البحثية الأكاديمية والحكومية والخاصة في نشر تسلسلات جينية كاملة من كائنات وحيدة الخلية، والتي يمكن افتراض أنها مفيدة للمجتمع العلمي والصناعة.

أنشأت وزارة الطاقة الأمريكية معهد الجينوم المشترك، وبدأ في نشر تسلسلات الحمض النووي الكاملة لمختلف الكائنات الحية، والتي يمكن استخدامها في الأبحاث في مجالات مختلفة، مثل الزراعة ومصادر الطاقة البديلة والأبحاث الطبية. وفي اليابان، بدأت مجموعة بحثية تدعى كازوسا في نشر التسلسلات الجينية للطحالب والنباتات والبكتيريا والفيروسات. لقد غمر عالم العلوم بوفرة هائلة من التسلسلات الجينية، معظمها غير معروف، والتي كانت متاحة للجميع وكانت بمثابة أرض خصبة للاكتشافات الجديدة.

من بين الكائنات الحية الأولى التي اختارها كازوسا كانت الطحالب وحيدة الخلية Chlamydomonas Reinhardtii. هذه مخلوقات يبلغ حجمها جزءًا من مائة من المليمتر، وهي قادرة على التحرك نحو مصادر الضوء باستخدام نظام "رؤية" بدائي. ويتيح لهم هذا النظام تشغيل محركين بيولوجيين، وبالتالي التنقل نحو المناطق التي يمكن استخدام ضوء الشمس فيها لتوليد الطاقة.

لقد كانت طحالب C. Reinhardtii محل أبحاث في العديد من المجالات، بدءاً بآليات عمل المحركات البيولوجية وانتهاءً بالطرق المبتكرة لإنتاج الطاقة (تشتهر هذه الطحالب بقدرتها على إنتاج الهيدروجين كمصدر طاقة بديل للأكسجين). .

في عام 2001، اكتشف عالمان شابان، بيتر هاغمان وجورج ناجل، ضمن مجموعة تسلسل C. رينهاردتي لمجموعة كازوسا، جينًا مشابهًا بشكل ملحوظ للجين المسؤول عن إنتاج بروتين بكتيريورودوبسين المذكور أعلاه. وافترضوا أن منتجها (البروتين) قد يكون "العين" الجزيئية للطحالب، مما يسمح لها بالتنقل نحو مصادر الضوء. لقد عزلوا الجين الجديد وأنتجوا البروتين المشفر بواسطة تسلسل الحمض النووي الخاص به. كان البروتين الجديد مشابهًا بالفعل لبكتيريا الرودوبسين، لكنه مختلف بما يكفي لإثارة فضول هاجمان وناجل.

استخدم هاجمان وناجل التقنيات الجينية لحث الخلايا الحية على إنتاج البروتين الجديد. عندما أضاءت الخلايا التي تحتوي على البروتين بالضوء الأزرق، انفتح نوع من "القناة" على سطح غشاء الخلية: بدأت الأيونات الموجبة الشحنة (الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم) في التحرك إلى داخل الخلية، وبالتالي تغير التوازن الكهربائي في الخلية. سطح الغشاء.

أطلقوا على البروتين الجديد اسم Channelrhodopsin، لأنهم استنتجوا أنه على عكس "المضخات" البيولوجية (مثل bacteriorhodopsin وhallorhodopsin)، يسمح Channelrhodopsin للأيونات بالتدفق بحرية إلى داخل الخلية - بالطبع، فقط أثناء إضاءتها.

توليفة غير متوقعة

عرف هاجمان وناجل أن الخلايا العصبية حساسة للغاية للتغيرات في شحنتها الكهربائية. بمجرد دخول كمية كافية من الشحنات الموجبة إلى الخلية، تنتج الخلية العصبية إشارة كهربائية، مما يؤدي إلى إطلاق مواد تسمى الناقلات العصبية وتنشيط جميع الخلايا العصبية التي ترتبط بها من خلال الوصلات المتشابكة. ولذلك كان واضحًا لهم أنهم إذا نجحوا في التسبب في تكوين هذه القنوات الجديدة داخل الخلايا العصبية، فسيكون من الممكن التحكم في نشاطها الكهربائي من خلال الإضاءة بالضوء الأزرق.

بهذه الطريقة، ستتحقق الرؤية القديمة لفرانسيس كريك: سيتم تنشيط الخلية العصبية التي تحتوي على قناة رودوبسين على الفور بواسطة الضوء الأزرق، لكن الخلية العصبية التي لا تحتوي على الجين اللازم لإنتاجها، ستبقى غير مبالية بالضوء. وهذا سيمكن الانتقائية اللازمة للبدء والتعامل مع التعقيد الهائل للدماغ.

من أجل جعل الخلية العصبية تنتج بروتين تشانيل رودوبسين وإحضاره إلى غشاء الخلية، حيث يمكنها القيام بعملها استجابةً للضوء، كانت هناك حاجة إلى أدوات وراثية تسمح بإدخال الجين (المشتق من طحالب رينهاردتي C.) في الخلايا العصبية. نُشرت النتائج التي توصل إليها عمل ناجل وهاجمان في مقالتين، في عامي 2001 و2002، وبعد النشر، بدأ الاثنان في البحث عن صلة مع علماء الدماغ الذين يمكنهم تحقيق الوعد الكامن في قناة رودوبسين.

قرر كارل ديزيروت، وهو عالم أمريكي شاب أكمل في ذلك الوقت تدريبه كطبيب نفسي وحصل أيضًا على درجة الدكتوراه في أبحاث الدماغ في جامعة ستانفورد، أن يحاول اختبار مدى واقعية الفكرة "المجنونة" - وهي أخذ الجين الذي يشفر البروتين. المستمدة من الطحالب وحيدة الخلية، وحقنها في الخلايا العصبية الدماغية باستخدام أساليب الهندسة الوراثية، مما أدى إلى القدرة على التحكم في عمل الخلايا العصبية "المهندسة" باستخدام الضوء فقط.

قام دايسروت، مع عدد من الطلاب الذين انضموا إلى مختبره الذي تم إنشاؤه في ذلك العام، بزراعة خلايا دماغية في طبق بيتري، وباستخدام الأساليب الجينية أدخل فيها الجين المسؤول عن إنتاج تشانيل رودوبسين. اعتقد الكثيرون أن مثل هذه التجربة كانت ميؤوس منها. ويختلف بروتين تشانيل رودوبسين، الذي يأتي من الطحالب، في خصائصه عن بروتينات الخلايا العصبية. في كثير من الحالات، لا يتم التعبير عن بروتينات الكائنات "السفلى" بشكل جيد في خلايا الثدييات.

لكي تؤدي بروتينات تشانيل رودوبسين وظيفتها، تحتاج إلى جزيء يسمى الشبكية (الشبكية) - وهو مشتق من فيتامين أ (المطلوب أيضًا لنشاط شبكية العين)، ولم يكن من الواضح ما إذا كانت هناك خلايا عصبية خارج الشبكية وعميقة داخل الدماغ. تحتوي على الشبكية بكمية كافية، وذلك للسماح بنشاط هذه البروتينات، وهي القناة رودوبسين.

أخذ دايسروث وزملاؤه طبق بتري الذي يحتوي على الخلايا العصبية المحملة بقناة رودوبسين تحت المجهر، وسجلوا نشاطها الكهربائي. تم توصيل مصباح قوي بالمجهر يمكن تفعيله بسرعة وبدقة جزء من الألف من الثانية. ومع كل ومضة من الضوء الأزرق تصل إلى الخلايا من خلال نظام المجهر، سجل الباحثون استجابة كهربائية فورية للخلايا المضيئة.

تم نشر النتائج الأولى لهذا البحث في عام 2005. الطريقة الجديدة لتنشيط الخلايا العصبية باستخدام الضوء كانت تسمى علم البصريات الوراثي - وهو مزيج من الأدوات الجينية مع الضوء لغرض التحكم في النشاط الكهربائي للخلايا.

وفي مقالة لاحقة نشرت عام 2007، قدمت المجموعة طريقة جديدة "لإسكات" نشاط الخلايا العصبية باستخدام الضوء. هذه المرة اختار الباحثون حقن بروتين هالورودوبسين (مضخة "الكلور") في الخلايا العصبية. وقد وجد أن الضوء الأصفر "أسكت" النشاط الكهربائي للخلايا التي تم حقن أيونات الكلور سالبة الشحنة فيها، مما منعها من التواصل مع الخلايا العصبية المرتبطة بها.

أصبح من الممكن الآن استخدام ضوء بلونين (الأزرق والأصفر) للتحكم ثنائي الاتجاه في النشاط الكهربائي للخلايا العصبية. وكانت الميزة الكبرى لهذه الأدوات الجديدة هي القدرة على التحكم، بالوسائل الجينية، في هوية مجموعات الخلايا التي تعبر عن البروتينات. يتفاعل كل من Channelrhodopsin وhalorhodopsin مع الضوء على الفور تقريبًا (في غضون بضعة أجزاء من الثانية)، وهو نطاق زمني مناسب بشكل ملحوظ لمعدلات نشاط الخلايا العصبية.

خلقت هذه المنشورات اهتمامًا هائلاً بمجال أبحاث الدماغ. بدأ الباحثون من جميع أنحاء العالم في استخدام هذه الأدوات المبتكرة لتنشيط أو إسكات أنواع مختلفة من الخلايا في الدماغ، ولفحص العلاقات السببية لأول مرة بين نشاط بعض الخلايا العصبية وبين الظواهر الفسيولوجية والسلوكية المرتبطة بها. نشاط.

أول إشارة إلى أن هناك فرصة لأن هذه الطريقة لن تعمل فقط في المختبر، ولكن في الجسم الحي، في الدماغ الحي (في الحيوانات، أو في المستقبل، في البشر) تم تلقيها، عندما تم تلقيها من قبل باحثين من جامعة ديوك في نورث كارولينا. تمكنت كارولينا من إنتاج فأر معدل وراثيا (فئران معدلة وراثيا)، يحتوي على الجين الذي يرمز للقنال رودوبسين - وهو نفس الجين الذي تم إدخاله في جامعة ستانفورد في مجموعة معينة من الخلايا في القشرة الدماغية (القشرة) وجعلها تستجيب ضوء.

واستقبل أعضاء مجموعة دايسروت في جامعة ستانفورد هذه الفئران، وربطوا أليافا ضوئية متصلة بليزر ينتج ضوءا أزرق إلى رأس الفأر، واستخدموه لإضاءة منطقة في الدماغ مسؤولة عن الحركة (القشرة الحركية). وبمجرد أن أضاء الليزر المنطقة المعنية من خلال الألياف الضوئية، بدأ الفأر بالسير في دوائر حسب شدة وتكرار ومضات الليزر.

هذه التجربة البسيطة جديرة بالملاحظة لأنها أوضحت أن التكنولوجيا الجديدة، التي تجمع بين الهندسة الوراثية والأدوات الجزيئية الجديدة والتكنولوجيا البصرية والهندسية التمكينية، ستؤدي إلى اختراق في قدرة العلماء على التحكم بدقة في نشاط الدماغ.

في السنوات القليلة الماضية، ركزت أنا وزميلي في مجموعة دايسرو في جامعة ستانفورد على توسيع المجال من خلال تطوير أدوات علم البصريات الوراثي الجديدة وتطوير تطبيقات جديدة للأدوات الموجودة. لقد أجرينا تغييرات على بروتين تشانيل رودوبسين من خلال الهندسة الجزيئية وأنشأنا قنوات جديدة ذات حساسية عالية للضوء بأطوال موجية مختلفة (ألوان)، بحيث يمكن تنشيط مجموعات مختلفة من الخلايا العصبية في نفس الموقع في الدماغ بألوان مختلفة من الضوء.

من خلال تغيير معدلات عمل القناة رودوبسين، أنشأنا أدوات قادرة على العمل على مدى فترات زمنية طويلة جدًا (تصل إلى عشرات الدقائق)، والتي يمكن استخدامها في المستقبل للتنشيط المزمن أو إسكات الخلايا العصبية، سواء في البحث أو في التطبيقات السريرية. باستخدام هذه الأدوات الجديدة، التي طورناها بالتعاون مع مجموعة بيتر هاجمان في برلين، نقوم الآن بدراسة الظواهر الفسيولوجية والسلوكية الناتجة عن التغيرات في العلاقة بين نشاط الخلايا العصبية الاستثارية والمثبطة في القشرة الأمامية.

ويشارك الدماغ الأمامي في عمليات التفكير العليا والتكامل بين الأنظمة المختلفة في الدماغ. تشير العديد من الأدلة أيضًا إلى أن الضرر الذي يلحق بالأداء الطبيعي لهذه المنطقة يرتبط بأمراض نفسية وتنموية، مثل الفصام والتوحد. إحدى الفرضيات المركزية المتعلقة بالآلية الكامنة وراء هذه الاضطرابات هي التغيرات في العلاقة المتبادلة بين الإثارة والتثبيط في منطقة الدماغ الأمامي.

باستخدام أدوات علم البصريات الوراثي، أصبحنا قادرين، لأول مرة، على التحكم بشكل مباشر وبطريقة خاضعة للرقابة في نشاط الخلايا الاستثارية والمثبطة في الدماغ الأمامي، وبالتالي فحص التغيرات الفسيولوجية والسلوكية الناتجة عن التلاعب بمجموعات الخلايا العصبية هذه بشكل مباشر.

لماذا "السيطرة"؟

ويشير تطور البحث إلى أنه من خلال الجينات المشفرة والضوء المسقط عليها، سيكون من الممكن التحكم وتوجيه تصرفات الدماغ في المجالات
جمع. لماذا نحتاج إلى "التحكم" في نشاط الخلايا العصبية؟ لا بد للقارئ الموضح الآن أن يتخيل مجموعة واسعة من أفلام الخيال العلمي التي تناولت هذا الموضوع، ويتساءل عن الآثار العملية والفلسفية لمثل هذه "القدرة"، إذا ومتى سيتم تحقيقها. وبعيدًا عن الخيال العلمي المستقبلي (أو لا)، فإن الحاجة إلى التحكم في النظام الذي ندرسه هي حاجة أساسية في العلم. فهو يجعل من الممكن طرح أسئلة دقيقة حول مساهمة العناصر المحددة في النظام في أدائه العام، وبالإضافة إلى ذلك فإنه يساهم في البحث والتجريب الدقيق.

توجد اليوم العديد من الأساليب التي تتيح للعلماء دراسة نشاط الدماغ حتى بدون تحكم، بدءاً بالتسجيلات الكهربائية لـ”موجات الدماغ” (EEG)، مروراً بطرق التصوير مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي وانتهاءً بالتسجيلات الكهربائية من الأقطاب الكهربائية المزروعة داخل الدماغ.

تتيح هذه الأساليب للباحثين فهم كيفية تمثيل الدماغ للمعلومات، ومتى وكيف يستجيب للمحفزات الحسية، وحتى كيف تتغير بنية الدماغ ونشاطه نتيجة للأمراض التي تؤثر عليه. ولكن من المعلومات التي يتم الحصول عليها من هذه الأساليب، على الرغم من أنها رائعة في بعض الأحيان وتسمح لنا بفهم المزيد عن نشاط الدماغ، إلا أنه من الصعب التعرف على العلاقات السببية بين نشاط خلايا عصبية معينة، أو مجموعات من الخلايا العصبية، والمنتج النهائي للخلايا العصبية. نشاط الدماغ - السلوك.

من أجل التعرف على دور جين معين ومدى أهميته لعمل الكائن الحي بأكمله، من المعتاد في علم الوراثة إجراء معالجة تسمى الضربة القاضية - إلغاء الجين عن طريق "حذفه" من الحمض النووي . من خلال نتائج الضربة القاضية يمكن التعرف على وظيفة الجين الطبيعي. في الواقع، من خلال العمل المنهجي والقضاء على عمل الجينات الفردية، واحدًا تلو الآخر، ينجح العلماء في الإصرار على دور الجينات والبروتينات المحددة في تطور وعمل الكائن الحي.

إن الدماغ، الذي يدعي الكثيرون أنه العضو الأكثر تعقيدًا في جسم الإنسان، يتشكل أيضًا بطريقة تمليها الجينات. ولكن على عكس الأعضاء الأخرى (وربما تشبه الجهاز المناعي، الذي لديه أيضًا "القدرة على التعلم")، يخضع الدماغ باستمرار لعملية تصميم تحددها الأحداث الفردية التي تشكل "تجربة الفرد".

في كثير من الحالات، يكون الجزء الذي تلعبه الوراثة في تشكيل عمل الدماغ البالغ أصغر من جزء العمليات البلاستيكية التي تشكل الدماغ بشكل مستمر، بحيث يكون المنتج النهائي بعيدًا عن أن يكون "محددًا مسبقًا" ويكون في حالة ثابتة من التغير. يتغير.

من المعروف منذ زمن طويل أن الأضرار التي لحقت بمناطق مختلفة من الدماغ يمكن أن تسبب اضطرابات عقلية بأنواع مختلفة. في كتابه - وهذا مجرد مثال - "الرجل الذي ظن أن زوجته قبعة"، يصف طبيب الأعصاب أوليفر ساكس مجموعة واسعة من المرضى الذين عالجهم، كل منهم تطورت حالته نتيجة لأنواع مختلفة من إصابات الدماغ، نمط سلوكي فريد.

ومن ناحية أخرى، تتيح العلاجات المبتكرة لأمراض مثل مرض باركنسون والاكتئاب السريري اليوم للمرضى الذين لا يستجيبون للعلاج الدوائي النهوض والمشي، أو بدلا من ذلك، الخروج من الصفراء السوداء التي تستمر لسنوات، وذلك عن طريق يتم نقل التحفيز الكهربائي عبر أقطاب كهربائية مزروعة في أدمغتهم.

على الرغم من النجاحات في العلاج، فإن الأقطاب الكهربائية هي أداة بدائية للغاية. يقوم التيار الكهربائي الذي ينتقل إلى الدماغ بتنشيط جميع أنواع الخلايا الموجودة حول القطب الكهربائي. إن حقيقة أن بعض الأمراض يمكن علاجها باستخدام هذه الأداة تعلمنا أنه إذا تمكنا من التحكم بشكل أفضل في طبيعة المعالجات التي نقوم بها، فقد نكون قادرين على توسيع نطاق الحالات السريرية التي يمكن علاجها.

في العقد الماضي، ارتفعت نسبة الأشخاص الذين يعانون من أمراض نفسية في عموم السكان إلى 25%، ومن المتوقع أن يرتفع هذا المعدل مع استمرار المجتمع الذي نعيش فيه في التقدم التكنولوجي، وسيكون متوسط ​​العمر المتوقع أعلى. وحتى لو كانت الفائدة الكامنة في إطالة العمر المتوقع أمرا يمكن الجدال فيه، فلا خلاف على أن إصابات الدماغ التي تؤدي إلى أمراض مثل الفصام والاكتئاب السريري والزهايمر والشلل الرعاش تشكل عبئا ثقيلا على الفرد ومرض باركنسون. مجتمع.

إن الأساليب الجديدة لأبحاث الدماغ، بما في ذلك علم البصريات الوراثي، ستجعل من الممكن فهم هذا النظام المعقد بشكل أفضل، وربما حتى تشكل الأساس لعلاجات مبتكرة ستكون أكثر تكيفًا مع الخصائص الفريدة للدماغ، وتعقيده، وتنوعه، وأنظمته المتفرعة. روابط.

إذا وضعنا جانباً للحظة الإنجازات العلمية التي حدثت بالفعل، والتطبيقات الطبية التي ستنشأ بلا شك في المستقبل من إدخال علم البصريات الوراثي إلى العالم العلمي وأبحاث الدماغ، فإن قصة ميلاد هذا التكنولوجيا هي أولاً وقبل كل شيء قصة نجاح طريقة العلوم الأساسية.

إن التوليف الذي حدث في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين بين البروتينات الميكروبية مثل بكتيريورودوبسين، والمعلومات الجينومية المتاحة للجميع، والهندسة الوراثية المتقدمة والتكنولوجيا البصرية والهندسية لم يكن ممكنًا لو لم تتقدم هذه المجالات بشكل مستقل ومنفصل ومستقل، وخلقت المعرفة الواسعة القاعدة التي جعلت هذا التوليف الرائع ممكنا.

تم نشر المقال كاملا في العدد رقم 11 من مجلة "أوديسيوس – رحلة بين الأفكار".