اپتوژنتیک چیست و چگونه می‌توانیم از آن برای اکتشاف بیشتر مغز استفاده کنیم؟

مغز چگونه کار می‌کند؟ این موضوع طی صد سال اخیر یکی از چالش برانگیزترین سوالات دانشمندان بوده است. برای پاسخ به این سوال دانشمندان آزمایشات و تکنیک‌های زیادی را استفاده کرده‌اند. در سال ۲۰۰۵ تکنیک جدیدی به نام اپتوژنتیک ابداع شد. این تکنیک تلفیقی از نور و مهندسی ژنتیک است (تغییر اطلاعات ژنتیکی از طریق افزودن یا حذف کد ژنتیکی) تا بتوان  سلول های مغزی را کنترل کرد. این شاخه‌ی جدید علم بسیار مورد توجه بوده و اکنون در آزمایشگاه‌های سراسر دنیا به تکنیکی قابل استفاده برای مطالعات روی مغز تبدیل شده است. سلول‌های اختصاصی در مغز و نخاع، نورون نامیده می‌شوند که با همکاری یکدیگر افکار و رفتار انسان را شکل می‌دهند.

برای پاسخ به این پرسش که مغز چگونه کنترل رفتار را بر عهده دارد، ابتدا باید ببینیم نورون ها چگونه با یکدیگر ارتباط دارند. اگر چه مغز انسان بسیار پیچیده است اما بسیاری از ویژگی‌های آن مشابه مغز مدل‌های حیوانی می‌باشد و به این دلیل دانشمندان می‌توانند برای کشف بیشتر حقایق مغز از مدل‌های حیوانی استفاده کنند. بدین گونه بود که نحوه‌ی مراوده‌ی بین نورون ها کشف شد.

بیشتر بخوانید: آناتومی مغز انسان

نورون ها چگونه با یگدیگر ارتباط دارند؟

نورون ها با استفاده از پیام‌های الکتریکی و شیمیایی با یکدیگر ارتباط دارند. دانشمندان با کمک علوم تجربی (مشاهده و آزمایشات) به این نتایج اولیه رسیدند. در اواخر قرن ۱۸ لوئیجی گالوانی، پزشک و فیزیولوژیست ایتالیایی در یک روز طوفانی که همراه با رعد و برق بود به بازار رفت و در مغازه‌های فروش قورباغه متوجه حرکت پای قورباغه‌های مرده شد و فرضیه‌ی خود را این گونه بیان کرد که رعد و برق سبب فعال شدن اعصاب پای قورباغه شده است و فرضیه‌ی خود را آزمایش کرد. گالوانی از یک الکترود به منظور عبور جریان الکتریکی از پای قورباغه استفاده کرد که این جریان روی عصب قورباغه تاثیر گذاشت و سبب انقباض پای قورباغه شد. وی به این نتیجه رسید که جریان الکتریکی سبب تغییر در فعالیت بافت و انقباض عضلات می‌شود و در نهایت بیان کرد نورون ها می‌توانند از جریان الکتریکی برای ارتباط استفاده کنند و یا حتی حامل آن باشند و همچنین اظهار کرد ما می‌توانیم با استفاده از سیگنال‌های الکتریکی، برخی از نورون ها را به فعالیت وا داریم، و ببینیم بعد از آن چه اتفاقی می‌افتد. این دقیقا آغاز کار دانشمندان بود.

حال که چگونگی صحبت‌کردن نورون ها با یکدیگر را فهمیده‌ایم، می‌توانیم به زبان آن‌ها صحبت کنیم. ما می‌توانیم سیگنال‌های الکتریکی را در جهت فعال کردن یک نورون به کار برده و ببینیم که چه اتفاقی می‌افتد. تا سال ۱۹۳۰ تحریک الکتریکی مغز برای نقشه‎برداری مغز انسان استفاده نشده بود. در این زمان دکتر پنیفیلد (Wilder Penfield) جراح مغز، روی بیماران مبتلا به صرع کار می‌کرد. صرع یکی از اختلالات عصبی است که در نتیجه‌ی فعالیت غیر عادی سلول‌ها و سیگنال‌های غیر طبیعی اعصاب قشر مغز بوجود می‌آید. و در موارد مقاوم به درمان برای جلوگیری از حملات موضعی عمل جراحی نیز ضروری است. دکتر پنیفیلد نقشه‌برداری مغز را به منظور کشف اهمیت هر بخش مغز پایه‌گذاری کرد تا مراکز مهم در مغز و مناطقی که نباید تحت عمل جراحی قرارگیرند مشخص شود. او یک الکترود کوچک را در قشر حرکتی مغز قرارداد و مشاهده کرد با تحریک الکترود در قسمت مشخصی از مغز، انگشت دست تحریک شده و تکان می‌خورد و در بخش دیگر انگشت پا، عکس‌العمل نشان می‌داد و به این نتیجه رسید که نواحی مشخصی از مغز، مناطق خاصی از بدن را کنترل می‌کنند. وی متوجه شد محل ناحیه‌ی حرکتی در بدن تحت کنترل مغز، در همه‌ی بیماران مشابه بوده و نمودارهایی را از نتایج خود ترسیم کرد و اولین نقشه‌ی عملکردی نواحی حرکتی را در مغز انسان ارائه داد که به عنوان آدمک حرکتی (homunculus) امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

از سال ۱۹۳۰ آزمایشات برای تحریک مغز بسیار تغییر کرده است. مطالعات روی مغز توسط الکترودها معایب زیادی دارد از جمله اینکه ورود الکترود سبب آسیب‌های مغزی می‌شود و نقشه‌برداری از مغز به این روش دقیق نیست زیرا عمومی و غیر انتخابی است. (شکل ۳ بخش A) در سال ۲۰۰۵ روشی جدید برای تحریک مغز و مطالعات روی آن ابداع شد که اپتوژنتیک (Optogenetics) نام دارد این تکنیک از ترکیب مهندسی نور و ژنتیک برای کنترل فعالیت سلول استفاده می‌کند.

اپتوژنتیک چیست؟

اپتوژنتیک ترکیبی از علم ژنتیک و روش‌های نوری می‌باشد تا به کمک آن عملکردهای مشخص در سلول‌های تخصصی بافت‌های زنده ایجاد یا حذف شوند. به عبارت دیگر اپتوژنتیک ترکیبی از دانش‌های اپتیک، ژنتیک و مهندسی زیستی است که به کمک آن می‌توان فعالیت سلول‌ها را  ازطریق پروتئین‌های حساس به نور، مهار یا تحریک کرد. مهندسی ژنتیک گاهی اصلاح ژنتیکی نیز خوانده می‌شود. مهندسی ژنتیک در واقع فرایند تغییر اطلاعات در کدهای ژنتیکی موجود زنده است. در مطالعات اپتوژنتیکی دانشمندان، کد ژنتیکی نورون مورد مطالعه را می‌گیرند و کد جدیدی را در آن قرار می‌دهند که این کد به نورون ها اجازه می‌دهد پروتئین مخصوصی به نام اپسین (opsin) را بسازند که این پروتئین‌ها به طیف خاصی از نور واکنش می‌دهند. اپسین ها برای اولین بار در جلبک‌ها کشف شدند که به آن‌ها در حرکت به سمت نور کمک می‌کند. اما سوال اینجاست که چگونه اپسین در نورون بیان می‌شود؟ پاسخ به این سوال نیازمند تکنیک‌های تخصصی آزمایشگاهی است. برای مثال در موش‌های آزمایشگاهی برای گرفتن اپسین از نورون موش آزمایشگاهی، ابتدا باید کد ژنتیکی اپسین به درستی در کد ژنتیکی نورون قرار بگیرد. اگر این کار به درستی انجام شود نورون های موش باید اپسین داشته باشند. به علت فهم و دانش ما از کدهای دقیق ژنتیکی موش، ما مکان دقیق برای قرار دادن ژن اپسین را می دانیم و به این ترتیب می‌توانیم این کد را در یک جایگاه مخصوص نورونی خاص یا مکانی خاص در مغز قرار دهیم و آن بخش از نورون یا مغز را به طور دقیق انتخاب کرده و کنترل کنیم. در اپتوژنتیک محبوب‌ترین اپسین مورد استفاده (چنلرودوپسین ۲) (ChR2 (Channelrhodopsin-2 است که از جلبک “سبز کلامیدوموناس رینهاردتی” گرفته شده و توسط نور آبی فعال می‌شود. به این معنی که فقط با تاباندن نور آبی فعال می‌شود و به سایر نورها پاسخی نمی‌دهد. وقتی این اپسین درون نورون قرار می‌گیرد، یعنی نورون با نور آبی فعال می‌شود و توانایی کنترل این نورون را به ما می‌دهد. به صورت طبیعی نورون ها به نور آبی پاسخی نمی‌دهند (شکل ۳ بخش B ) پس فقط نورون های دارای اپسین به نور آبی پاسخ می‌دهند. (شکل ۳ بخش C )

بیشتر بخوانید: DNA دستوری برای زندگی

تحریک اپتوژنتیکی دقیق‌تر و اختصاصی‌تر از تحریک الکتریکی است

درست مثل خیابان‌های زیادی که در یک شهر وجود دارد، مسیرهای بسیاری در مغز وجود دارد. اگر ما می‌خواهیم بدانیم که چگونه نقطه A به نقطه B در شهر متصل است، می‌توانیم به سادگی به تمام جاده‌ها نگاه کنیم و نقشه راه را بسازیم. این یک نوع نقشه ساختاری است که به ما کمک می‌کند تا بدانیم که چگونه جاده‌ها راه‌اندازی شده‌اند. اما معمولا راه‌های بسیاری برای رفتن از نقطه A به نقطه B وجود دارد، بنابراین چگونه متوجه خواهیم شد که کدام پرترددترین است؟ برای فهمیدن این موضوع، ما باید به خودروهایی که در جاده‌ها رانندگی می‌کنند نگاه کنیم که از نقطه A به نقطه B می‌روند. این یک نقشه کاربردی است به ما کمک می‌کند تا بدانیم که چگونه خیابان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در مغز، نورون ها مانند جاده‌ها هستند و سیگنال‌هایی که از نورون به نورون سفر می‌کنند، مانند اتومبیل‌ها هستند. به طور معمول، مغز بسیار فعال است و در همه جاده‌ها تعداد زیادی اتومبیل وجود دارد. در سراسر نقشه مغز، اتومبیل‌ها سفر خود را در زمان‌های مختلف شروع می‌کنند و به پایان می‌رسانند. از آنجا که فعاليت بسيار زيادی در مغز وجود دارد، ما نمي‌توانيم الگوها را درک کنيم و ارتباط آن‌ها را با یکدیگر بفهمیم برای تشخیص الگوها، توانایی در کنترل زمان و مکان شروع سفر کمک کننده خواهد بود. تصور کنید در هر راه شهری تعدادی اتوموبیل وجود دارد که برای عبور در مسیر منتظر سیگنال و پیام هستند (شکل ۴ بخش A) در روش تحریک الکتریکی ما می‌توانیم شروع حرکت را کنترل کنیم. در تحریک الکتریکی انتخاب محل تحریک در واقع یک انتخاب کلی است (شکل ۴ بخش B ) اما در تحریک اپتوژنتیکی ما می‌توانیم دقیقا مشخص کنیم می‌خواهیم کدام اتوموبیل را در کدام مسیر حرکت دهیم و می‌توانیم زمان شروع حرکت را نیز مشخص کنیم. همچنین می‌توانیم گروهی از اتوموبیل‌ها را با موقعیت مکانی مشخص انتخاب کنیم (مثلا می‌توانیم مشخص کنیم همه‌ی خودروها در یک محله‌ی خاص قرار بگیرند) یا ما می‌توانیم بر اساس نوع ماشین انتخاب کنیم (مثلا ما می‌توانیم فقط کامیون‌ها را برای عبور در مسیری مشخص، انتخاب کنیم) (شکل ۴ بخش C )

چگونه اپتوژنتیک برای نقشه برداری مغز استفاده می‌شود؟

اپتوژنتیک با روش‌های متعددی برای نقشه برداری مغز موش استفاده می‌شود. همانطور که بر روی نقشه می‌توانیم برای مشاهده‌ی بزرگراه‌های اصلی از کوچک‌نمایی استفاده کنیم (شکل ۵ بخش A) و یا برای مشاهده‌ی یک مکان مشخص، بزرگ نمایی انجام دهیم (شکل ۵ بخش B)، در مغز نیز می‌توانیم این عمل را با تکنیک اپتوژنتیک انجام دهیم. ما قادریم برای مشاهده‌ی نواحی بزرگی از مغز و یا ارتباط بخش‌های مختلف، کوچک‌نمایی را انجام دهیم (شکل ۵ بخش C) و این تصویر برای نشان دادن اطلاعات سفر و نواحی ارتباطی بسیار مفید بوده و برای درک رفتارهای خاص و نشان دادن ناحیه‌ی آسیب دیده بسیار مهم است. (مثلا اگر در یک خیابان اصلی تصادف شود، چگونه مسیر ترافیکی را عوض کنیم؟) همچنین برای بررسی نورون های مرتبط می‌توانیم یک نورون را با نور آبی تحریک کرده و منتظر پاسخ نورون های دیگر بمانیم و این برای درک بیماری‌هایی که در آن اختلال ارتباط نورونی سبب بیماری می‌شود ضروری است.

هنگامی که جریان خون در مغز مختل شود یا کاهش یابد، مغز مواد لازم برای عملکرد صحیح را به درستی دریافت نمی‌کند که سبب سکته شده و سبب بروز اختلالات در بلند مدت می‌شود.(شکل ۵ بخش D)

نقشه برداری اپتوژنتیکی امکانات زیادی را برای بررسی عملکرد مغز ارائه می‌دهد. همانطور که تکنیک‌های اپتوژنتیک و اپسین‌ها پیشرفت کرده است، امکان کنترل بیشتر برای تحریک مغز نیز وجود دارد و شاید بتوان در آینده همزمان از چند پروتئین برای بررسی همزمان چند نوع نورون استفاده کرد. از آنجا که هر اپسین به یک نوع خاص از نور پاسخ می‌دهد، می‌توانیم در اپتوژنتیک از نورهای مختلف برای کنترل انواع نورون استفاده کنیم. برخی اپسین‌ها نیز در حضور نور خاص باعث متوقف شدن فعالیت نورون می‌شوند. در مثال ما از نقشه برداری ماشین‌ها در شهر، می‌توانیم از سیگنال‌های متعدد برای کنترل حرکت خودرو استفاده کنیم. ما می‌توانیم با دو نوع سیگنال متفاوت دو مجموعه از اتومبیل‌ها را به صورت جداگانه به حرکت درآوریم. مجموعه‌ی اول را با نور آبی و مجموعه‌ی دوم را با نور قرمز وادار به حرکت نماییم. با استفاده از این راه‌اندازی، ما می‌توانیم با این دو مجموعه از اتومبیل شروع کنیم: چه اتفاقی می‌افتد اگر اتومبیل‌های با نور قرمز برای اولین بار بروند؟ چه اتفاقی می‌افتد اگر اتومبیل‌های با نور آبی برای اولین بار بروند؟ چه اتفاقی می‌افتد اگر آنها همزمان با یکدیگر حرکت کنند؟ این به ما کمک می‌کند تا بدانیم چگونه این مجموعه‌های مختلف خودروها با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند.

اکتشافات اخیر توسط تکنیک اپتوژنتیک

دانشمندان از سال ۲۰۰۵ از اپتوژنتیک استفاده کرده و تعاملات مغز را بررسی کردند و به بسیاری از سوالات پاسخ داده‌اند. از جمله اینکه جایگاه احساس ترس در مغز کجاست؟ چگونه خاطره‌ها ذخیره می‌شوند؟ همچنین دانشمندان از این روش برای چگونگی بروز سکته و تغییرات مغزی استفاده کرده‌اند و تغییرات ناشی از عدم رسیدن خون و اکسیژن به مغز در هر قسمت را بررسی نموده‌اند باید توجه داشت در صورتی که برای مدت زیادی به نورون ها اکسیژن نرسد، نورون ها می‌میرند و مسلما به نورون هایی که با آن در ارتباط بودند نیز آسیب وارد می‌شود. در این مطالعه ما می‌خواهیم بررسی کنیم که چگونه یک سکته‌ی کوچک بسیاری از قسمت‌های مغز را تحت تاثیر قرار می‌دهد و برای شروع از ChR2 برای ایجاد نقشه‌ی کاربردی مغز استفاده کردیم. ما نقشه‌های مغز بین حیوانات با سکته مغزی و بدون سکته را مقایسه کردیم و دریافتیم که نقشه‌ها در طول زمان تغییر کرده‌اند. در ۱ هفته پس از سکته مغزی، فعالیت مغز در کل بسیار پایین بود. به طرز شگفت‌انگیزی، فعالیت حتی در ناحیه‌ای دور از سکته مغزی هم کم بود. با ۸ هفته پس از سکته مغزی، فعالیت مغز در کل بالاتر رفته بود، اما به حالت طبیعی برنگشت. از این داده‌ها، ما نتیجه گرفتیم که حتی یک سکته کوچک می‌تواند تاثیر بزرگی بر مغز به طور کلی داشته باشد. درک اینکه چه اتفاقی برای مغز پس از سکته مغزی رخ می‌دهد، می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا درمان‌های بهتر برای بیماران سکته مغزی ایجاد کنند. این فقط یک نمونه از کاربرد اپتوژنتیک برای بررسی سوالات در مورد مغز است.

بیشتر بخوانید: کلیات سیستم عصبی انسان

واژه‌نامه

• نورون (neuron): سلول‌های تخصصی در مغز که با ارسال و دریافت پیام‌های الکتریکی و شیمیایی با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. میلیاردها نورون در مغز وجود دارد که پیام‌های ارسال شده بین این سلو‌ل‌ها، پایه‌ای برای شکل‌گیری همه‌ی افکار و رفتار ماست.
• مطالعات تحریک الکتریکی (electrical stimulation study): تکینیکی برای فعال‌کردن نورون یا مسیر عصبی به کمک قراردادن الکترود کوچک و فرستادن سیگنال به بخش مشخصی از مغز و تغییر فعالیت بافت.
• علوم اعصاب (neuroscience): شاخه‌ای از علم که مغز و سیستم عصبی را مطالعه می‌کند.
• اپتوژنتیک (optogenetics): تکنیکی ترکیبی از نور و مهندسی ژنتیک که فعالیت سلول را کنترل می‌کند.
• مهندسی ژنتیک (genetic engineering): فرایند تغییر اطلاعات ژنتیکی از طریق افزودن یا حذف کد ژنتیکی
• اپسین (opsins): پروتئین‌هایی که به نور خاصی پاسخ می‌دهند. به عنوان مثال اپسین ChR2 تنها به نور آبی پاسخ می‌دهد. این پروتئین‌ها در علوم اعصاب برای کنترل فعالیت نورون ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• (Channelrhod-Opsin-2 (ChR2: کارآمدترین اپسین در علوم اعصاب که تنها به نور آبی پاسخ می‌دهند هنگامی که این اپسین در نورون قرار می‌گیرد، نور آبی می‌تواند سبب فعال شدن نورون شود.
• سکته (storke): به طور معمول، خون، اکسیژن و سایر مواد مغذی مهم را به مغز منتقل می‌کند. هنگامی که جریان خون مختل می‌شود یا کاهش می‌یابد، مغز اطلاعات لازم را به درستی دریافت نمی‌کند.  سکته می‌تواند مشکلات و اختلالات طولانی مدت را ایجاد کند.

تیم BrainBee.ir در تلاش است تا همگام با جدیدترین اطلاعات در حوزه اپتوژنتیک، اطلاعات مذکور را برای شما عزیزان به زبانی شیوا در سایت قرار دهد.

منبع: ?What Is Optogenetics and How Can We Use It to Discover More About the Brain

+220