Оптогенетика: Физика контроля разума

Примерно десять лет назад нейробиологи постепенно начали осваивать оптические методы исследования мозга. Со временем выяснилось, что оптика может органично дополнить – а в некоторых случаях и заменить – традиционные методы использования электродов в качестве основного измерительного инструмента в изучении мозга.

Традиционное нейрологическое исследование начинается с хирургической имплантации металлических электродов в мозг подопытного животного, чаще всего кролика или мыши. Эти электроды нацелены на специфические типы клеток, которые находятся в определённых участках мозга. Затем животное подвергается воздействию различных внешних стимулов, а электрическая активность нейронов, находящихся в контакте с электродами, записывается компьютером.

Тщательный анализ и обработка этих электрических сигналов затем транслируется в картину индивидуальных клеток, возбуждающихся в соответствии с определённым паттерном. Затем эти паттерны соотносятся с процессами обучения, запоминания, обработки сенсорных данных и другими функциями мозга. Таким образом, исследования с помощью электродов полностью полагаются на пассивное наблюдение.

Однако оптика в комбинации с генетикой – наука, получившая название оптогенетики – позволяет учёным с невероятной точностью напрямую контролировать мозговые функции вместо простого наблюдения.

Оптогенетическое исследование начинается с введения вируса-носителя в мозг животного. В вирус загружается ген, кодирующий светочувствительный протеин, формирующий ионный канал, а затем вирус направляется к специфическим нейронам, которые являются объектом исследования. (Мозг содержит множество различных типов нейронов). Вспышка света от хирургически имплантированного оптоволоконного наконечника открывает ионные каналы, заставляя нейрон возбуждаться.

Таким образом, клетки исследуемого мозга можно буквально включать и выключать. Возможности этой мощной техники практически безграничны. Примеры включают в себя: Восстановление зрения после повреждения сетчатки благодаря возбуждению оставшихся клеток визуальной системы мозга; включение и отключение чувства голода; тренировка мозга в подавлении обсессивно-компульсивного синдрома. Однако следует сказать, что на текущий момент планов по выполнению оптогенетических исследований на людях не существует.

За организацию этой нейрореволюции биологи должны поблагодарить физиков, изучающих оптику. Лазеры в последние годы претерпели технологическое усовершенствование, сопоставимое с развитием компьютеров за последние 50 лет: Теперь они проще, надёжнее и доступнее, чем когда-либо прежде. Такое же развитие прошли и оптические волокна, которые могут изгибаться, закругляться, и проникать в самые крошечные пространства. На сегодняшний день даже не-специалисты могут собирать и контролировать коммерчески доступные оптические системы.