Lys kan påvirke nevroner, som kan forårsake Alzheimers sykdom, epilepsi og andre lidelser hvis de slutter å virke.
Del på PinterestLysterapi kan virke ved å påvirke nevroner i hjernen. Getty bilder
Hjernen inneholder milliarder av nevroner, små celler som bruker elektriske impulser og kjemiske signaler for å kommunisere med hverandre og med andre deler av kroppen.
Når nevroner slutter å fungere ordentlig, kan hjernesykdommer som Alzheimers sykdom, epilepsi eller depresjon utvikles.
For bedre å forstå og håndtere disse lidelsene, har forskere utviklet hjernestimuleringsteknikker som lar dem påvirke nevral aktivitet.
I konvensjonelle metoder for dyp hjernestimulering, implanteres elektriske nevrostimulatorer, eller «hjernepacemakere,» kirurgisk i hjernen.
Ettersom hjernevitenskapen fortsetter å utvikle seg, har forskere utviklet mindre invasive metoder for å stimulere celler dypt inne i hjernen.
Mens noen eksperter har brukt magnetiske pulser eller lydbølger for å stimulere nevroner, har forskere innen optogenetikk brukt lys.
Årets vinner Science and PINS Award for nevromodulering, Shuo Chen, PhD, ble han anerkjent for sitt arbeid på dette området.
«Dr. Chen og kolleger viste at nær-infrarødt lys, når det brukes i kombinasjon med noen nanopartikler, muliggjør stimulering av nevroner dypt i hjernen, Dr. Karl Deisseroth, en professor i bioingeniørvitenskap og psykiatri og atferdsvitenskap ved Stanford University fortalte Healthline.
«Mer må gjøres for å gjøre denne prosessen robust og nyttig,» sa han, «men Dr. Chen og kolleger har tatt et kritisk skritt.».
Lyssensitiv hjernecelleteknikk
Deisseroth er en av hovedpionerene innen optogenetikk, en teknikk der hjerneceller er genmodifisert for å reagere på lys.
I denne hjernestimuleringsmetoden overfører forskere deler av genetisk kode som stammer fra alger og andre mikrober til hjernecellene til mus eller andre dyr. Denne genetiske koden får nevroner til å produsere lysfølsomme proteiner kjent som opsiner.
Når forskere utsetter opsin-produserende nevroner for visse bølgelengder av lys i det synlige spekteret, slår disse nevronene seg på eller av.
Ved å aktivere eller undertrykke spesifikke nevroner kan forskere lære mer om rollen disse nevronene spiller i hjernefunksjon og hjernesykdommer.
«På denne måten kan årsaksrollen og funksjonelle betydningen av cellulær aktivitet bestemmes i alle arter eller vev eller atferd av interesse, fra hukommelse til humør til bevegelse,» sa Deisseroth.
«Optogenetikk tilbyr en enestående evne til å snakke hjernens naturlige språk, når det gjelder spesifisitet og hastighet til celletypen,» la han til.
Utvikling av ikke-invasive teknikker
Nevroner som produserer Opsin reagerer kun på lys fra det synlige spekteret, som ikke kan trenge dypt inn i hjernevevet.
Følgelig har optogenetisk stimulering historisk sett krevd innsetting av fiberoptiske lyskilder inne i hjernen.
For å utvikle en mindre invasiv metode for lyslevering, Deisseroth og hans kollega Polina Anikeeva, PhD, foreslo bruk av nær infrarødt (NIR) lys.
NIR-lys kan passere gjennom hodeskallen og dypt inn i hjernevevet, uten innsetting av interne lyskilder. Imidlertid aktiverer ikke NIR-lys en respons fra opsin-produserende nevroner.
For å utnytte den vevsgjennomtrengende kraften til NIR-lys, har Deisseroth og Anikeeva utviklet en patentert metode for å belegge opsin-produserende nevroner i bittesmå nanopartikler som konverterer NIR-lys til synlig spektrumlys. Denne teknikken er kjent som NIR oppkonvertering.
Chen og forskningsgruppen hans brukte denne metoden, og demonstrerte for første gang at NIR-oppkonverteringsoptogenetikk kan brukes til å kontrollere nevroner dypt i hjernen til mus.
Chens forskerteam brukte denne teknikken for å stimulere frigjøringen av dopamin i et område av hjernen som antas å spille en rolle i depresjon.
«Å overvinne utfordringen med optisk penetrasjonsdybde vil være nøkkelen til å oppnå ikke-invasiv fjernoptogenetikk med et høyt potensial for klinisk oversettelse,» skrev Chen i sin prisvinnende essay om emnet.
«Vår nylige studie adresserte dette problemet ved å bruke en nanomaterialassistert tilnærming som» flytter «eksisterende optogenetiske verktøy inn i den nære infrarøde regionen,» la han til.
Anvendelse av hjernestimulering hos mennesker
Mens forskere fortsetter å forske på optogenetikk hos mus, sebrafisk og andre dyr, har det ikke blitt studert som en behandling for hjernesykdommer hos mennesker.
Ytterligere arbeid må gjøres for å utvikle og teste ikke-invasive lysfrigjørende metoder, samt ikke-invasive strategier for å overføre den genetiske koden til hjerneceller.
«Det er for tidlig å forutsi hvilken teknikk som vil dukke opp i forkant av neste generasjons ikke-invasiv hjernestimuleringsteknologi,» sa Chen, i en pressemelding utstedt av American Association for the Advancement of Science.
«Men vi tror at resultater som NIR-oppkonverteringsoptogenetikk raskt låser opp mange utviklingsveier og baner vei for en lys terapeutisk fremtid,» fortsatte han.
I mellomtiden blir andre ikke-invasive hjernestimuleringsmetoder utviklet, testet og også brukt på mennesker.
«Det er ikke-invasive metoder som ikke krever genterapi, for eksempel transkraniell magnetisk og elektrisk stimulering, som allerede er ofte brukt med mennesker på eksperimentell basis.», Ed Boyden, PhD, professor i nevroteknologi ved Massachusetts Institute of Technology (MIT), fortalte Healthline.
Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) er en ikke-invasiv prosedyre der magnetiske felt brukes til å stimulere nerveceller i hjernen. Maten & Drug Administration (FDA) har allerede gjort dette tillatt kommersialiseringen av TMS som behandling for alvorlig depresjon, tvangslidelser og migrene.
Medlemmer av Boydens forskerteam forsket også på transkraniell elektrisk stimulering (TES), en ikke-invasiv tilnærming til hjernestimulering der elektroder er plassert på hodebunnen. De håper denne teknikken vil tillate dem å nå celler dypt i hjernen, mer nøyaktig enn TMS.