"Ekkor, mint később, bajban, annyiszor,

fény gyúlt bennem, gyors és kész gondolat...”

-Szabó Lőrinc-

Hány meg hány költő, író, zenész, képregény készítő élt a képpel: „hirtelen fény gyúlt az agyában”. Valószínűleg mit sem sejtettek ezen köznyelvben gyakran megjelenő szófordulat használói arról, hogy egy napon valóban eljön a pillanat, és ténylegesen fény felvillantásával szabályozhatóakká válnak a gondolatok, vagyis fényérzékeny proteinek segítségével az idegsejtek valóban fénnyel vezérelhetővé válnak! Hirtelen egy irányba kezd szaladgálni a pilács hatására egy egér, vagy éppen félelmeitől egycsapásra megszabadulva minden ösztöne ellenére kiballag a biztonságot jelentő szűk folyosókból a szabad térre... Az elsőre ijesztőnek és futurisztikusnak ható beavatkozás igen nagy jelentőséggel bír, hiszen az optogenetika névre hallgató eljárás lehetőséget adhat különböző pszichiátriai betegségek vagy éppen a Parkinson-kór kezelésére. Tovább után talán az eddigi legelképesztőbb történet következik ezen az oldalon a fénnyel szabályozható agyról!

Képzeljük el, amint egy sűrű úthálózatú városban bolyongunk autónkat vezetve megannyi embertársunkkal. Néha meg-megállunk a piros lámpák hatására, máskor zöldet kapva fékezés nélkül hömpölygünk tova a tömeggel. Ahogy Meat Loaf nagy slágerében szól a költői sor:

"If life is just a highway then the soul is just a car..."

(ha az élet egy autópálya, akkor a lélek csak egy autó)

Nem is áll olyan távol ez a kép a valóságtól, hiszen agyunk működése során a neuronok úthálózatában parányi autókként navigálnak az elektromos ingerületet továbbító ionok, melyek az idegsejtek aktiválódásától függően a bonyolult kereszteződésekben vagy pirosat, vagy zöldet kapnak, ezzel vezérelve minden cselekedetünket, gondolatunkat. A világhírű tudós, Francis Crick (a DNS szerkezetének feltérképezője) állt elő először az ötlettel: vajon lehetne-e az idegsejtek működését fénnyel szabályozni, vagyis lehetne-e közvetlenül pirosat vagy zöldet adni a tovaterjedő jeleknek?

Az elsőre légből kapottnak tűnő elgondolásnak nagyon is kézzelfogható volt a motivációja: ebben az időben a pszichiátria betegségeket súlyos esetben elektrosokkal próbálták kezelni. Ehhez egyrészt közvetlen fizikai kapcsolat létesítésére volt szükség a páciens agya és az elektromos berendezés közt, másrészt az eljárás nagyon nehezen tartható kordában. Ez alatt azt kell érteni, hogy néhány károsodott idegpálya célzott, precíziós likvidálása helyett egy adott terület „szőnyegbombázása” történik, amelynek számos káros mellékhatása lehet. A fény nagyszerű alternatívának tűnik, hiszen a fizikai érintkezést egy energetikai kapcsolat váltja fel, ráadásul a fénysugaraknak nincs párja sebesség és pontosság tekintetében.

Karl Deisseroth a Stanford orvostanhallgatójaként több ilyen elektrosokkos ECT (electroconvulsive therapy) kezelést nézett végig, és ez az élmény ültette el benne a rögeszme szerű elhatározást: kidolgoz egy jobb, kevésbé brutális eljárást, mely kiküszöböli a pszichiátriai gyógyszerek számos mellékhatását is, és sokkal célzottabban tud hatni a rosszul működő idegpályákra. Eme elhatározása vezette őt a Crick által felvetett koncepcióhoz, és indította el az úton, melyen eredményeként ma már a Stanford egyik vezető kutatója és egy tekintélyes méretű labor vezetője.

Számos kérdés várt megválaszolásra. Ezek közül az első az volt, hogy miként tehető fényérzékennyé egy neuron? A megoldást az opszin névre hallgató fehérjék adták, melyek számos egysejtű, primitív létformában töltik be a fényérzékelés szerepét. Ezen élőlények számára kulcskérdés, hogy a fény felé mozogjanak. Az opszinok érzékelik a beérkező fotonokat, melyek hatására elektromos jelet küldenek a sejtmembránon át, ezzel vezérelve a sejt mozgását. A működés teljesen hasonló a neuronok működéséhez: egy bizonyos jel hatására megnyílnak a kapuk, és ionok folyama indul meg elektromos ingerületet továbbítva. Hogyan lehet hát összekapcsolni a két jelenséget?

Különös figyelmet kapott a 2003-ban felfedezett Chlamydomonas reinhardtii névre hallgató egysejtű zöld alga, mely egy fényérzékelő „szemfolttal” rendelkezik, amelyet a ChR2 nevű opszin alkot. Ez a fehérje került az érdeklődés középpontjába. Az ötlet az volt, hogy ezt a fehérjét beültetik a neuronokba, ezáltal reményeik szerint az opszinok az algában megfigyelhető hatást váltják ki, és fény hatására aktiválódott állapotukban ingerület kibocsátására ösztökélik majd a neuront. Természetesen számos kérdés teljesen nyitott volt. Be tudja-e fogadni a neuron a fehérjét? A neuron a másodperc törtrésze alatt „tüzel” az agyműködés során, vajon képes-e ez a fényérzékelő receptor erre a válaszidőre?

Deisseroth elkezdett csapatot építeni a válaszok megtalálásra. Feng Zhang lett a fehérje beépítésének felelőse. Az opszin DNS-ét beépítették egy vírusba, mely ez után az idegsejthez jutva abba bejuttatta örökítőanyagát, ezáltal az átprogramozott neuronban megjelentek a kívánt molekulák. A beültetést célzottan is el lehetett végezni, ugyanis megoldották azt, hogy a ChR2 fehérje genetikai kódja csak megfelelően megválasztott más DNS szakaszok jelenléte esetén kapcsolódjon a neuron állományához, ezáltal megválaszthatóvá vált, hogy mely idegsejteket teszik fényérzékennyé.

Ed Boyden mérte ki a fény hatására keletkező elektromos ingerületeket. 2005 augusztusában a csapat megmutatta, hogy az opszin valóban működőképes! Egy Petri-csészében létrehozott patkány idegsejtekből álló fényérzékennyé tett telep reakcióit vizsgálták, és azt tapasztalták, hogy a mérhető elektromos jelek tökéletes szinkronban vannak az alkalmazott megvilágító impulzusokkal.

Egy dolog azonban a Petri-csésze, és egy másik az élő agy. Az opszinok mellett ugyanis a megvilágítást is biztosítani kell, ehhez pedig igen erős fényforrásra van szükség, de olyanra, amely nem melegíti fel a környezetét. Az IT világából ismert üvegszálas optikához fordultak, melynek segítségével – kihasználva a tényt, hogy az agy nem rendelkezik fájdalomreceptorokkal - közvetlenül vezethették be a fényt egerek agyába.

A kutatók fáradozásainak meglett az eredménye. 2007-ben miután beazonosították az alvásért felelős neuronokat egy egér agyában, azokat fényérzékennyé tették, és beültettek egy implantátumot, mely nem csak a fényt vezette a sejtekhez, hanem detektálta az állat agyhullámait is. A kísérlet eredménye teljes siker volt: a fény hatására az agyhullámok azonnal reagáltak, a békésen szunyókáló állat pedig felébredt és mozogni kezdett. 

Laikusan gondolhatnánk, hogy elég sok zavaró körülmény hatására felébredhet egy egér, így talán nem minden olvasót győz meg a fenti példa az agyhullámok mérése ellenére sem. A csoport azonban nem állt meg itt. Célba vették a mozgáskoordinációért felelős területeket, és az eredmény megdöbbentő volt: a kék fény felvillanásával az addig céltalanul lődörgő állat elkezdett folytonosan balra fordulva köröket leírni, ahogy az az alábbi videón látható.

Nem volt további kérdés: sikerült! Az állat viselkedését fényimpulzusokkal tudták befolyásolni. A fenti példák igazolták a módszer működőképességét, így megnyílt az út a komolyabb gyakorlati vonatkozású kísérletek felé, melyek már összhangban voltak Deisseroth eredeti céljával, a pszichiátriai betegségek újszerű kezelésével.

Elsőként sikerült megszüntetni egy egér drogfüggőségét. Kialakítottak egy kis élőhelyet, melynek területén 3 kamrát helyeztek el. Mikor az egér betért az egyikbe, kokaint kapott. A kokain hatására az agyat elöntik bizonyos anyagok, melyeket az agy „jutalmazó központja” generál, és melyek összekapcsolják a kellemes érzést az anyag elfogyasztásával. Ennek következtében az egér újra és újra visszatért a kokain adagoló helyre, lényegében el sem mozdult onnan. Mikor azonban a kokain beadásával párhuzamosan fény segítségével blokkolták ezt a „jutalmazó” rendszert, az egérben nem alakult ki függőség az agyi megerősítés elmaradása hiányában, és továbbra is szabadon járt-kelt szűkös keretei közt. Sikerült tehát beazonosítani a függőségért felelős mechanizmusokat.

Sokan küzdenek egyfajta pánikbetegséggel, vagy csak túlzott félelmekkel, stresszel. Ezek a reakciók szintén agyi folyamatok eredményei, és mára már jól lokalizálhatóak az ezért felelős területek. Fény segítségével „pirosra állítva ezen területek jelzéseit” elérték, hogy a természeténél fogva félénk rágcsáló – mely ragaszkodik a falak közelségéhez, szűk folyosókhoz, és ösztönösen kerüli a nyílt területeket – megszabadulva „aggodalmaitól” kiballagjon a labor nyílt, világos részeire. Ez az eredmény lehetőséget nyithat a jövőben a depresszió, pánikbetegségek, szorongásos magatartásformák újszerű kezelésére.

Ennél is ígéretesebbek a Parkinson-kór mechanizmusának feltérképezése terén elért eredmények. A Parkinson-kór a mozgás koordinálásért felelős idegpályák rendellenes működésének következtében alakul ki. Leegyszerűsítve azt mondhatnánk, hogy a mozgáshoz szükséges egy indító és egy megszakító rendszer. Előbbi megkezdi a kívánt mozgatást, utóbbi megállítja azt. A megszakító rendszer túlműködése – a folyamat közben való ismételt megszakító jelek küldése - idézi elő az ismert tüneteket: a remegést, a koordináció elvesztését. Ezt az állapotot sikerült valóban létrehozni a megszakító pályák egészséges állatban való stimulálásával. Ami érdekes, hogy az indító sejtek erősebb aktiválásával az egér mozgása teljességgel helyrehozható! Az eljárás forradalmasíthatja a Parkinson-kór kezelését, melyet most beültetett elektródák elektromos impulzusai segítségével tesznek.

A fényérzékennyé tett sejtek azonban nem csak az agyban hasznosíthatóak, sőt: vezérlőközpontunk bonyolultsága miatt valószínűleg nem ez lesz kezdetekben a fő felhasználási terület. Az eljárással például szabályozható szívizomzat készíthető, a fényimpulzusokkal vezérelhetővé tehető az összehúzódás, ezzel egy újfajta pacemaker-t létrehozva. Természetesebbnek hat a látás terén való felhasználás. Egy kísérlet alkalmával vak egerek szemfenekére ültettek be fényérzékeny fehérjéket, őket összekötve a látóidegekkel. Az állatokat egy vízzel teli labirintusba tették, melynek kijáratát kivilágították. A vak példányok véletlenszerűen úszkáltak körbe a pocsolyából való kiutat keresve, míg kezelt társaik azonnal a fény felé fordultak, és egyből megtalálták a helyes irányt... (videó).

Az optogenetika tudománya tehát elképesztő lehetőségeket nyit meg bizonyos betegségek gyógyítása terén is, de elsődlegesen abban segíthet a kutatóknak, hogy pontosan feltérképezzék a különböző mechanizmusért felelős idegpályákat, melyek ismeretében jobban megérthetik az egyes pszichiátriai betegségek hátterében rejlő folyamatokat. Felismervén, hogy mely „áramkörök” túlműködése, és melyek blokkolt mivolta okozza az elváltozást, a kezelések ennek megfelelően fejleszthetőek. Mindez tehát csak egy fantasztikus út eleje...

/Ed Boyden rövid előadása a témáról magyar felirattal alább megtekinthető, bővebb videóanyag pedig itt elérhető./