Potrafią włączać neurony światłem. Za to dostali Nagrodę Nobla

Karl Deisseroth, Peter Hegemann i Georg Nagel otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za odkrycia, dzięki którym światło stało się niezwykle precyzyjnym narzędziem do badania mózgu. Opracowana na ich fundamentach optogenetyka pozwala uruchamiać lub hamować aktywność wybranych komórek nerwowych. To jedna z tych technologii, których zasada działania brzmi niemal podejrzanie prosto: naukowiec kieruje światło na odpowiednio przygotowany neuron i może zmienić jego aktywność. Za tą możliwością stoją jednak dziesięciolecia badań, które zaczęły się nie od ludzkiego mózgu, lecz od niewielkiego glonu.

Nagrodę za 2026 r. podzielą między siebie amerykański naukowiec Karl Deisseroth oraz Niemcy Peter Hegemann i Georg Nagel. Komitet noblowski wyróżnił ich odkrycia dotyczące kanałów jonowych sterowanych światłem oraz rozwój optogenetyki.

Kanały jonowe można w uproszczeniu porównać do mikroskopijnych bramek znajdujących się w błonie komórki. Otwierając się i zamykając, kontrolują przepływ naładowanych elektrycznie jonów, a tym samym wpływają na powstawanie impulsów elektrycznych. W neuronach właśnie takie impulsy są podstawą przekazywania informacji.

Optogenetyka wykorzystuje białka reagujące na określone światło. Gdy takie białko znajdzie się w komórce nerwowej, odpowiedni impuls świetlny może otworzyć kanał jonowy i zmienić aktywność neuronu. Nie chodzi więc o zwykłe świecenie na tkankę. Komórki muszą najpierw zostać wyposażone w odpowiedni światłoczuły mechanizm.

Dzięki temu badacze mogą bardzo precyzyjnie sprawdzać, które neurony odpowiadają za określone procesy zachodzące w układzie nerwowym. Zamiast obserwować aktywność ogromnych obszarów mózgu, można ingerować w działanie wybranych komórek i sprawdzać, jaki przyniesie to efekt.

Droga do tej technologii rozpoczęła się na początku lat 90. Peter Hegemann badał wówczas reakcję glonu z rodzaju Chlamydomonas na światło. Organizm potrafił zareagować na nie w czasie liczonym w ułamkach milisekundy, co wskazywało, że musi dysponować wyjątkowo szybkim mechanizmem wykrywania światła.

Hegemann podejrzewał, że może odpowiadać za to pojedyncze białko, które jednocześnie odbiera światło i działa jako kanał jonowy. Georg Nagel sprawdził ten pomysł eksperymentalnie. Po wprowadzeniu genów Chlamydomonas do komórek odkrył kanałorodopsynę-2, czyli białko otwierające kanał jonowy pod wpływem światła.

Kolejny ważny krok wykonano w 2003 r. Hegemann i Nagel pokazali, że takie białko można wprowadzić do komórek człowieka i chomika, a następnie za pomocą światła wywoływać w nich impulsy elektryczne.

Dwa lata później Karl Deisseroth zastosował tę zasadę w komórkach nerwowych szczura. To właśnie wtedy pojawiła się możliwość precyzyjnego sterowania neuronami za pomocą światła, a w 2006 r. metoda otrzymała nazwę optogenetyka. Kanałorodopsyna nadal jest wykorzystywana w eksperymentach, w których naukowcy chcą pobudzać konkretnie wybrane neurony za pomocą światła.

Największą wartością metody jest przede wszystkim ogromna precyzja. Mózg składa się z wielkiej liczby komórek tworzących skomplikowane sieci i samo obserwowanie ich aktywności nie zawsze pozwala ustalić, które elementy odpowiadają za konkretny proces. Możliwość selektywnego uruchamiania lub wyłączania neuronów daje naukowcom narzędzie do eksperymentalnego sprawdzania takich zależności.

Technologia znalazła już zastosowanie w laboratoriach na całym świecie, ale naukowcy próbują również wykorzystać ją w medycynie. Jednym z najbardziej zaawansowanych kierunków są badania nad przywracaniem wzroku osobom cierpiącym na barwnikowe zwyrodnienie siatkówki. To choroba, w której stopniowo obumierają komórki odpowiedzialne za odbieranie światła.

W prowadzonych badaniach klinicznych do siatkówki wprowadza się białko wrażliwe na światło. Założenie jest takie, aby wykorzystać pozostałe komórki oka i ponownie umożliwić im reagowanie na bodźce świetlne.

Naukowcy widzą potencjał optogenetyki także w rozwoju implantów ślimakowych stosowanych u osób z poważnym ubytkiem słuchu. Dzisiejsze urządzenia wykorzystują stymulację elektryczną nerwu słuchowego. Światło może w przyszłości pozwolić robić to bardziej precyzyjnie, choć na razie jest to kierunek badań, a nie gotowa terapia.

Przeczytaj także:

Trzej laureaci podzielą między siebie 12 mln koron szwedzkich, czyli około 1,2 mln dol. Sama nagroda ma jednak przede wszystkim symboliczne znaczenie dla dziedziny, która w ciągu dwóch dekad stała się jednym z najważniejszych zestawów narzędzi współczesnej neuronauki.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI