הפעלת המוח באור: פרס נובל לפיזיולוגיה או רפואה לשנת 2026

ב- 5 באוקטובר הודיעה עצרת נובל במכון קרולינסקה כי פרס נובל לפיזיולוגיה או רפואה לשנת 2026 מגיע לקארל דייסרוט, פיטר הגמן וגיאורג נגל על תגליותיהם על תעלות יונים מגודרות אור ואופטוגנטיקה. אופטוגנטיקה היא שיטה המאפשרת לחוקרים להפעיל או לכבות תאי עצב בודדים בתוך מוח חי באמצעות אור, והיא שימשה לחקר כיצד נוירונים מולידים זיכרונות, רגשות והתנהגות. הסיפור מתחיל באצה ירוקה ששוחה לכיוון השמש. כיצד הגיע אורגניזם בריכה לציטוט נובל, ומה הוא השתנה עבור אנשים עד כה?

משאלה שנכתבה בשנת 1979

המוח האנושי מכיל בערך 86 מיליארד נוירונים מסוגים רבים ושונים, ארוזים זה לצד זה ומחוברים זה לזה בדרכים שאנו עדיין מנסים להבין. במשך רוב המאה העשרים, החוקרים יכלו להקשיב לתאים אלה באמצעות אלקטרודות או לעורר אותם באמצעות זרם חשמלי. הבעיה באלקטרודה היא שהיא מרגשת את כל מה שיושב בהישג יד, בין אם זה התא המעניין, שכניו או הסיבים שעוברים דרכו במקרה. בשנת 1979 כתב פרנסיס קריק כי מכשול גדול למדעי המוח הוא היעדר דרך לשלוט בסוג אחד של נוירון תוך השארת האחרים לבד. מאוחר יותר הוא הציע שאור עשוי לעשות את העבודה, מכיוון שניתן לכוון קרן למטרה ולהדליק ולכבות תוך אלפיות השנייה. נוירונים, לעומת זאת, אינם מגיבים לאור. מישהו היה צריך לתת להם את היכולת הזו.

אצה עם תחושה של אור

פיטר הגמן בילה חלק ניכר מקריירה המוקדמת שלו בשאלה כיצד Chlamydomonas reinhardtii, אצה ירוקה חד-תאית, מוצאת אור. לתא יש כתם עיניים זעיר והוא שוחה לעבר אור מתון, המאכיל את הפוטוסינתזה שלו, והרחק מאור חזק מדי. הגמן ועמיתיו הבחינו כי האצה הגיבה תוך אלפיות השנייה, הרבה יותר מהר מכפי שרשרת של תגובות כימיות תאפשר. מהירות זו הצביעה על כך שחיישן האור הוא עצמו שער חשמלי בקרום התא.

בסביבות שנת 2000 החלו להופיע רצפים מהגנום של האצות במאגרי מידע ציבוריים. הגמן וגיאורג נגל, ביופיזיקאי שעבד על תעלות יונים בפרנקפורט עם ארנסט במברג, מצאו שני גנים הדומים לפיגמנטים הרגישים לאור של חיידקים. נגל הניח אותם בביצי צפרדע ובתאים אנושיים מתורבתים, הדליק מנורה ומדד זרם חשמלי. החלבון הראשון, שתואר בשנת 2002, נתן לפרוטונים לעבור. השני, שפורסם בשנת 2003 ושמו channelrhodopsin-2, נפתח באור כחול ונתן ליונים טעונים חיוביים כמו נתרן לזרום לתא

במילים פשוטות, נוירונים מדברים זה עם זה באמצעות דחפים חשמליים, המיוצרים כאשר יונים זורמים דרך תעלות בקרום שלהם. Channelrhodopsin הוא ערוץ עם מנעול רגיש לאור. אור כחול פותח אותו, כאשר יונים נכנסים ואם מספיק מהם עושים זאת, הנוירון יורה.

מחבר: Buchen, L. מדעי המוח: מאירת המוח. טבע 465, 26-28 (2010). https://doi.org/10.1038/465026a;

מסקרנות לכלי

קארל דייסרוט, פסיכיאטר ומהנדס ביולוגי בסטנפורד, טיפל בחולים עם דיכאון והפרעות אחרות, וידע כמה מעט התחום יכול לומר על המעגלים העצביים המעורבים. בשנת 2005, המעבדה שלו, עם אדוארד בוידן ופנג ג'אנג בין המחברים, העבירה את הגן channelrhodopsin-2 לנוירונים של יונקים באמצעות וירוס. כאשר פולסים של אור כחול הגיעו לתאים, הם ירו בדיוק של אלפיות השנייה והשתקו כשהאור נעצר. התוצאה הופיעה ב- Nature Neuroscience, אחד מכתבי העת הנודעים ביותר בתחום.

מה שהפך את הממצא לכלי היה מיקוד גנטי. על ידי הצמדת הגן לרצפי בקרה הפעילים בסוג תא אחד בלבד, החוקרים דאגו שרק תאים אלה מייצרים את החלבון. לאחר מכן ניתן להעביר אור לעכבר דרך סיב אופטי המושתל בגולגולת, ורק התאים המסומנים מגיבים. עבודה מאוחרת יותר הוסיפה חלבונים שמשתיקים נוירונים במקום לרגש אותם, יחד עם גרסאות המגיבות לצבעים אחרים ונפתחות מהר יותר או לאט יותר. כאשר מתג הפעלה וכיבוי זמין, ניתן לבדוק מעגל אם הוא נחוץ להתנהגות, כמו גם אם זה מספיק כדי להפעיל אותו.

מה שהמתג הראה

מה אתה לומד כשאתה יכול להפעיל קומץ תאים? בשנת 2007, אור מאיר על נוירונים המייצרים אורקסין בהיפותלמוס העיר עכברים ישנים. בשנת 2012, הקבוצה של סוסומו טונגאווה סימנה את הנוירונים שהיו פעילים בזמן שעכברים למדו לחשוש מתא. הפעלה מחדש של תאים אלה באור גרמה לבעלי החיים לקפוא בחדר אחר ולא מזיק, מה שהראה שניתן להפעיל זיכרון באופן מלאכותי. במודלים של מחלת פרקינסון, המעבדה של דייסרוטה דיווחה בשנת 2009 כי גירוי הקשרים המגיעים מקליפת המוח הקלה על הסימפטומים, רמז כיצד גירוי מוחי עמוק, טיפול שכבר נעשה בו שימוש בחולים, עשוי להשיג את הש

פעתו.

אותו היגיון יושם על חרדה, האכלה, כאב, התמכרות והתנהגות חברתית. כל ניסוי מחבר התנהגות לקבוצה מוגדרת של תאים, והקשר הזה הוא מה שצריך תרופה או יעד כירורגי.

מחבר: Buchen, L. מדעי המוח: מאירת המוח. טבע 465, 26-28 (2010). https://doi.org/10.1038/465026a;

מעכברים לחולים

השימוש הקליני הוא הרבה יותר חדש. בשנת 2021, צוות בראשות ג'וזא-אלן סאהל ובוטונד רוסקה דיווח ב- Nature Medicine על אדם עיוור מרטיניטיס פיגמנטוזה שחזר לראייה מסוימת. וירוס נשא גרסת קנלרודופסין לתאי הרשתית שלו, והוא חבש משקפי מגן שתרגמו תמונות מצלמה לפולסים של אור ענבר. לאחר חודשים של אימונים, הוא יכול היה לאתר ולספור חפצים על שולחן ולפי הדיווחים להבחין בפסי מעבר הולכי רגל. חוקרים כמו טוביאס מוזר בגטינגן עובדים על שתלי שבלול אופטיים, שיכולים להפריד בין תדרי הקול בצורה עדינה יותר מהמכשירים החשמליים הנמצאים בשימוש כיום

האזהרות ניכרות. התוצאה ברשתית נוגעת לחולה אחד ולהחלמה חלקית. הגעה לנוירונים עמוק בתוך מוח אנושי דורשת טיפול גנטי ומקור אור המונח ברקמה, ושניהם נושאים סיכונים שמחקר עכברים אינו צריך לענות עליהם. אופטוגנטיקה היא, לעת עתה, הרבה יותר מכשיר מעבדה מאשר טיפול

פרס עם שלושה שמות

פרס נובל יכול להכיל לכל היותר שלושה חתני פרס, ובסיפור הזה יש יותר אנשים. ארנסט במברג שיתף פעולה עם נגל בניסויים שאפיינו את channelrhodopsin. אדוארד בוידן היה חלק מהעיתון משנת 2005 שהביא את החלבון לנוירונים. גרו מיסנביק הראה בשנת 2002 שניתן לשלוט בנוירונים זבובים הנושאים חלבונים רגישים לאור באמצעות אור, באמצעות קבוצה אחרת של גנים. אילו תגליות ראויות למקום על הבמה היא שאלה שוועדת נובל עונה עליה מדי שנה, ובכל שנה התשובה משאירה עמיתים מחוץ לחדר.