تشغيل الدماغ بالضوء: جائزة نوبل لعام 2026 في علم وظائف الأعضاء أو الطب

في

5 أكتوبر، أعلنت جمعية نوبل في معهد كارولينسكا أن جائزة نوبل لعام 2026 في علم وظائف الأعضاء أو الطب تذهب إلى كارل ديسيروث وبيتر هيجمان وجورج ناجل لاكتشافاتهم في القنوات الأيونية ذات البوابات الضوئية وعلم البصريات الوراثي. علم البصريات الوراثي هو طريقة تسمح للباحثين بتشغيل الخلايا العصبية الفردية أو إيقاف تشغيلها داخل الدماغ الحي باستخدام الضوء، وقد تم استخدامها لدراسة كيفية قيام الخلايا العصبية بتكوين الذكريات والعواطف والسلوك. تبدأ القصة بطحلب أخضر يسبح باتجاه الشمس. كيف انتهى الأمر بكائن البركة في الاستشهاد بجائزة نوبل، وما الذي تغير بالنسبة للناس حتى الآن؟

أمنية مكتوبة في عام 1979

يحتوي الدماغ البشري على ما يقرب من 86 مليار خلية عصبية من العديد من الأنواع المختلفة، معبأة جنبًا إلى جنب وموصلة ببعضها البعض بطرق ما زلنا نحاول فهمها. خلال معظم القرن العشرين، كان بإمكان الباحثين الاستماع إلى هذه الخلايا باستخدام الأقطاب الكهربائية أو تحفيزها بالتيار الكهربائي. تكمن مشكلة القطب الكهربائي في أنه يثير كل ما هو في متناول اليد، سواء كانت الخلية المعنية أو جيرانها أو الألياف التي تمر من خلالها. في عام 1979، كتب فرانسيس كريك أن العقبة الكبيرة أمام علم الأعصاب هي عدم وجود طريقة للتحكم في نوع واحد من الخلايا العصبية مع ترك الأنواع الأخرى بمفردها. اقترح لاحقًا أن الضوء قد يؤدي المهمة، حيث يمكن توجيه الشعاع إلى الهدف وتشغيله وإيقافه في غضون أجزاء من الثانية. لكن الخلايا العصبية لا تستجيب للضوء. يجب على شخص ما أن يمنحهم هذه القدرة.

طحلب ذو إحساس بالضوء

أمضى بيتر هيجمان معظم حياته المهنية المبكرة متسائلًا كيف تجد Chlamydomonas reinhardtii، وهي طحلب أخضر وحيد الخلية، الضوء. تحتوي الخلية على بقعة عين صغيرة وتسبح نحو الضوء المعتدل، الذي يغذي عملية التمثيل الضوئي، وبعيدًا عن الضوء القوي جدًا. لاحظ هيجمان وزملاؤه أن الطحالب تفاعلت في غضون أجزاء من الثانية، أسرع بكثير مما تسمح به سلسلة التفاعلات الكيميائية. تشير هذه السرعة إلى أن مستشعر الضوء كان في حد ذاته بوابة كهربائية في غشاء الخلية.

في حوالي عام 2000، بدأت تسلسلات من جينوم الطحالب بالظهور في قواعد البيانات العامة. وجد هيجمان وجورج ناجل، عالم الفيزياء الحيوية الذي عمل على القنوات الأيونية في فرانكفورت مع إرنست بامبرغ، جينين يشبهان أصباغ الميكروبات الحساسة للضوء. وضعها ناجل في بيض الضفادع وفي الخلايا البشرية المستزرعة، وقام بتشغيل المصباح وقياس التيار الكهربائي. سمح البروتين الأول، الذي تم وصفه في عام 2002، للبروتونات بالمرور. أما الثاني، الذي نُشر في عام 2003 وأطلق عليه اسم channelrhodopsin-2، فقد تم فتحه تحت الضوء الأزرق وسمح للأيونات الموجبة الشحنة مثل الصوديوم بالتدفق

إلى الخلية.

بعبارات واضحة، تتحدث الخلايا العصبية مع بعضها البعض من خلال النبضات الكهربائية، التي تنتج عندما تتدفق الأيونات عبر القنوات في غشاءها. Channelrhodopsin هي قناة ذات قفل حساس للضوء. يفتحها الضوء الأزرق، عندما تدخل الأيونات، وإذا حدث عدد كافٍ منها، تنطلق الخلايا العصبية.

المؤلف: بوشين، إل. علم الأعصاب: إلقاء الضوء على الدماغ. الطبيعة 465، 26â28 (2010). https://doi.org/10.1038/465026a؛

من الفضول إلى الأداة

عالج كارل ديسيروث، الطبيب النفسي والمهندس الحيوي في جامعة ستانفورد، مرضى الاكتئاب والاضطرابات الأخرى، وكان يعرف مدى ضآلة ما يمكن أن يقوله المجال عن الدوائر العصبية المعنية. في عام 2005، قام مختبره، مع إدوارد بويدن وفنغ تشانغ من بين المؤلفين، بتسليم جين channelrhodopsin-2 إلى الخلايا العصبية في الثدييات باستخدام فيروس. عندما وصلت نبضات الضوء الأزرق إلى الخلايا، انطلقت بدقة ملي ثانية وصمتت عندما توقف الضوء. ظهرت النتيجة في مجلة Nature Neuroscience، إحدى المجلات الأكثر شهرة في هذا المجال.

ما حول الاكتشاف إلى أداة هو الاستهداف الجيني. من خلال ربط الجين بالتحكم في التسلسلات النشطة في نوع خلية واحد فقط، تأكد الباحثون من أن تلك الخلايا فقط هي التي تنتج البروتين. يمكن بعد ذلك توصيل الضوء إلى الماوس من خلال الألياف الضوئية المزروعة في الجمجمة، وتستجيب الخلايا المصنفة فقط. أضاف العمل اللاحق بروتينات تعمل على إسكات الخلايا العصبية بدلاً من إثارتها، إلى جانب المتغيرات التي تتفاعل مع الألوان الأخرى وتفتح بشكل أسرع أو أبطأ. ومع توفر كل من مفتاح التشغيل والإيقاف، يمكن اختبار الدائرة لمعرفة ما إذا كانت ضرورية للسلوك وكذلك ما إذا كانت كافية لتشغيلها.

ما أظهره المحول

ماذا تتعلم عندما يمكنك تشغيل عدد قليل من الخلايا؟ في عام 2007، أدى تسليط الضوء على الخلايا العصبية المنتجة للأوركسين في منطقة ما تحت المهاد إلى إيقاظ الفئران النائمة. في عام 2012، قامت مجموعة Susumu Tonegawaas بتصنيف الخلايا العصبية التي كانت نشطة بينما تعلمت الفئران الخوف من الغرفة. أدى إعادة تنشيط هذه الخلايا بالضوء إلى تجميد الحيوانات في غرفة مختلفة غير ضارة، مما أظهر أنه يمكن تشغيل الذاكرة بشكل مصطنع. في نماذج مرض باركنسون، أفاد مختبر ديسيروثا في عام 2009 أن تحفيز الروابط التي تصل من القشرة المخية يخفف الأعراض، وهو دليل حول كيف يمكن للتحفيز العميق للدماغ، وهو علاج يستخدم بالفعل في المرضى، أن يحقق تأثيره

تم تطبيق نفس المنطق على القلق والتغذية والألم والإدمان والسلوك الاجتماعي. تربط كل تجربة السلوك بمجموعة محددة من الخلايا، وهذا الارتباط هو ما يحتاجه الدواء أو الهدف الجراحي.

المؤلف: بوشين، إل. علم الأعصاب: إلقاء الضوء على الدماغ. الطبيعة 465، 26â28 (2010). https://doi.org/10.1038/465026a؛

من الفئران إلى المرضى

الاستخدام السريري أحدث بكثير. في عام 2021، أفاد فريق بقيادة جوزيه آلان ساهل وبوتوند روسكا في مجلة Nature Medicine عن رجل أعمى من التهاب الشبكية الصباغي استعاد بعض الرؤية. حمل أحد الفيروسات نوعًا من Channelrhodopsin إلى خلايا شبكية العين، وكان يرتدي نظارات واقية تترجم صور الكاميرا إلى نبضات من الضوء الأصفر. وبعد أشهر من التدريب، تمكن من تحديد مكان الأشياء وإحصائها على الطاولة، ويقال إنه رسم خطوط معبر المشاة. يعمل باحثون مثل Tobias Moser في Gã¶ ttingen على زراعة القوقعة الضوئية، والتي يمكن أن تفصل الترددات الصوتية بدقة أكبر من

الأجهزة الكهربائية المستخدمة اليوم.

التحذيرات كبيرة. تتعلق نتيجة الشبكية بمريض واحد وشفاء جزئي. يتطلب الوصول إلى الخلايا العصبية العميقة داخل دماغ الإنسان علاجًا جينيًا ومصدر ضوء يوضع في الأنسجة، وكلاهما ينطوي على مخاطر لا يتعين على دراسة الفئران الإجابة عنها. يعد علم البصريات الوراثي، في الوقت الحالي، أداة معملية أكثر بكثير من كونه علاجًا

جائزة بثلاثة أسماء

يمكن لجائزة نوبل أن تستوعب ثلاثة فائزين على الأكثر، وهذه القصة تضم المزيد من الأشخاص. تعاون إرنست بامبرغ مع ناجل في التجارب التي ميزت تشانلرودوبسين. كان إدوارد بويدن جزءًا من ورقة عام 2005 التي جلبت البروتين إلى الخلايا العصبية. أظهر Gero Miesenbãʼck في عام 2002 أن الخلايا العصبية الذبابة التي تحمل بروتينات حساسة للضوء يمكن التحكم فيها بالضوء باستخدام مجموعة مختلفة من الجينات. ما هي الاكتشافات التي تستحق مكانًا على المسرح هو سؤال تجيب عليه لجنة نوبل كل عام، وفي كل عام تترك الإجابة الزملاء خارج الغرفة.