Aktivace mozku světlem: Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu za rok 2026

Dne 5. října oznámila Nobelova komise při Karolinska Institutet, že Nobelova cena za fyziologii a medicínu za rok 2026 byla udělena Karlu Deisserothovi, Peteru Hegemannovi a Georgovi Nagelovi za jejich objevy v oblasti světlem řízených iontových kanálů a optogenetiky. Optogenetika je metoda, která umožňuje vědcům pomocí světla zapínat a vypínat jednotlivé nervové buňky v živém mozku a která se využívá ke studiu toho, jak neurony vytvářejí vzpomínky, emoce a chování. Příběh začíná zelenou řasou, která plave směrem ke slunci. Jak se organismu z rybníka podařilo dostat se do zdůvodnění udělení Nobelovy ceny a co to pro lidi dosud změnilo?

Přání zapsané v roce 1979

Lidský mozek obsahuje zhruba 86 miliard neuronů mnoha různých typů, které jsou těsně vedle sebe a propojeny způsobem, který se stále snažíme pochopit. Po většinu dvacátého století mohli vědci tyto buňky sledovat pomocí elektrod nebo je stimulovat elektrickým proudem. Problém s elektrodou spočívá v tom, že vzbuzuje vše, co se nachází v jejím dosahu, ať už jde o sledovanou buňku, její sousedy nebo vlákna, která náhodou procházejí kolem. V roce 1979 Francis Crick napsal, že velkou překážkou pro neurovědu je nedostatek způsobu, jak ovládat jeden typ neuronu, aniž by byly ovlivněny ostatní. Později navrhl, že by tuto úlohu mohlo plnit světlo, protože paprsek lze nasměrovat na cíl a zapínat a vypínat v řádu milisekund. Neurony však na světlo nereagují. Někdo by jim tuto schopnost musel dát.

Řasa s vnímáním světla

Peter Hegemann strávil velkou část své rané kariéry tím, že se ptal, jak Chlamydomonas reinhardtii, jednobuněčná zelená řasa, vnímá světlo. Buňka má malou oční skvrnu a plave směrem k mírnému světlu, které podporuje její fotosyntézu, a pryč od světla, které je příliš silné. Hegemann a jeho kolegové pozorovali, že řasa reagovala v řádu milisekund, což je mnohem rychleji, než by umožňoval řetězec chemických reakcí. Tato rychlost naznačovala, že světelný senzor je sám o sobě elektrickou bránou v buněčné membráně.

Kolem roku 2000 se v veřejných databázích začaly objevovat sekvence z genomu této řasy. Hegemann a Georg Nagel, biofyzik, který ve Frankfurtu spolupracoval s Ernstem Bambergem na výzkumu iontových kanálů, objevili dva geny, které se podobaly světlocitlivým pigmentům mikroorganismů. Nagel je vložil do žabích vajíček a do kultivovaných lidských buněk, zapnul lampu a změřil elektrický proud. První protein, popsaný v roce 2002, propouštěl protony. Druhý, publikovaný v roce 2003 a pojmenovaný channelrhodopsin-2, se otevíral pod modrým světlem a propouštěl do buňky kladně nabité ionty, jako je sodík.

Zjednodušeně řečeno, neurony mezi sebou komunikují prostřednictvím elektrických impulsů, které vznikají, když ionty proudí kanály v jejich membráně. Channelrhodopsin je kanál s uzávěrem citlivým na světlo. Modré světlo jej otevírá, ionty vstupují dovnitř a pokud jich je dostatek, neuron se aktivuje.

Autor: Buchen, L. Neurověda: Osvětlení mozku. Nature 465, 26–28 (2010). https://doi.org/10.1038/465026a;

Od zvědavosti k nástroji

Karl Deisseroth, psychiatr a bioinženýr ze Stanfordu, léčil pacienty s depresí a dalšími poruchami a věděl, jak málo se v této oblasti ví o příslušných neuronových obvodech. V roce 2005 jeho laboratoř, mezi jejíž autory patřili Edward Boyden a Feng Zhang, zavedla pomocí viru gen pro kanálrhodopsin-2 do neuronů savců. Když buňky zasáhly pulzy modrého světla, aktivovaly se s milisekundovou přesností a po zastavení světla opět utichly. Výsledek byl publikován v časopise *Nature Neuroscience*, jednom z nejrenomovanějších časopisů v oboru.

To, co z tohoto objevu učinilo praktický nástroj, bylo genetické zacílení. Připojením genu k regulačním sekvencím, které jsou aktivní pouze v jednom typu buněk, zajistili vědci, že tento protein produkují pouze tyto buňky. Světlo lze poté do myši přivádět prostřednictvím optického vlákna implantovaného do lebky a reagují pouze označené buňky. V pozdějších studiích byly přidány proteiny, které neurony utlumují namísto jejich aktivace, spolu s variantami, které reagují na jiné barvy a otevírají se rychleji či pomaleji. Díky dostupnosti jak spínače pro zapnutí, tak pro vypnutí bylo možné u daného obvodu otestovat, zda je nezbytný pro dané chování a zda je dostatečný k jeho vyvolání.

Co přinesl tento spínač

Co se dozvíte, když dokážete aktivovat hrstku buněk? V roce 2007 probudilo osvětlení neuronů produkujících orexin v hypotalamu spící myši. V roce 2012 skupina Susumu Tonegawy označila neurony, které byly aktivní, zatímco se myši učily bát se komory. Reaktivace těchto buněk světlem způsobila, že zvířata ztuhla v jiné, neškodné komoře, což ukázalo, že paměť lze uměle aktivovat. V modelech Parkinsonovy choroby laboratoř Deisserotha v roce 2009 oznámila, že stimulace spojení přicházejících z mozkové kůry zmírnila příznaky, což je vodítko k tomu, jak hluboká mozková stimulace – léčba již používaná u pacientů – může dosáhnout svého účinku.

Stejná logika byla aplikována na úzkost, příjem potravy, bolest, závislost a sociální chování. Každý experiment spojuje určité chování s definovanou skupinou buněk a právě toto spojení je tím, na co se musí zaměřit lék nebo chirurgický zákrok.

Autor: Buchen, L. Neurověda: Osvětlení mozku. Nature 465, 26–28 (2010). https://doi.org/10.1038/465026a;

Od myší k pacientům

Klinické využití je mnohem novější. V roce 2021 tým vedený José-Alainem Sahelem a Botondem Roskou publikoval v časopise Nature Medicine zprávu o muži, který oslepl v důsledku retinitis pigmentosa a částečně znovu získal zrak. Virus vnesl variantu kanálového rodopsinu do buněk jeho sítnice a pacient nosil brýle, které převáděly snímky z kamery na pulzy jantarového světla. Po měsících tréninku dokázal lokalizovat a spočítat předměty na stole a údajně rozeznat pruhy na přechodu pro chodce. Vědci jako Tobias Moser v Göttingenu pracují na optických kochleárních implantátech, které by mohly rozlišovat zvukové frekvence jemněji než elektrická zařízení používaná dnes.

Výhrady jsou značné. Výsledek týkající se sítnice se vztahuje pouze na jednoho pacienta a částečné zotavení. K dosažení neuronů hluboko v lidském mozku je zapotřebí genová terapie a světelný zdroj umístěný v tkáni, přičemž obojí s sebou nese rizika, za která studie na myších nemusí nést odpovědnost. Optogenetika je prozatím spíše laboratorním nástrojem než léčebnou metodou.

Cena se třemi jmény

Nobelovu cenu mohou získat nanejvýš tři laureáti, a v tomto příběhu figuruje více lidí. Ernst Bamberg spolupracoval s Nagelem na experimentech, které charakterizovaly kanálrhodopsin. Edward Boyden se podílel na článku z roku 2005, který tento protein zavedl do neuronů. Gero Miesenböck již v roce 2002 prokázal, že neurony mouchy nesoucí světlocitlivé proteiny lze ovládat světlem pomocí jiné sady genů. Které objevy si zaslouží místo na pódiu, je otázka, na kterou Nobelův výbor odpovídá každý rok, a každý rok tato odpověď nechává některé kolegy mimo sál.