Valgusest saab aju lüliti

Eelmisel aastal eraldasid Karl Deisseroth Stanfordist ja Ed Boyden MITist meduusilt valgu, mis moodustab rakumembraanis valgustundliku kanali. See kanal toimibki kui geneetiline lüliti: valguse käes kanal avaneb ning positiivne laeng saab siseneda rakku. Kui sellise kanaliga on varustatud neuronid, mis üksteisele signaali edasi annavad, saab ajju viidud optilise fiibri (peenike kiud, mida mööda saadetakse valgus täielikku sisepeegeldust kasutades sihtmärgini) abil avada neuroni membraanis kanalid ning käivitada närvimpulsi.

Deisseroth ja Boyden on nüüdseks välja töötanud ka sarnase meetodi ajurakkude väljalülitamiseks. Selleks kasutasid nad geeni, mis kodeerib valgulist pumpa: kollase valguse toimel pumpab see valk rakku negatiivset laengut, mis selle neuroni närvimpulsside edastamise blokeerib. Mõlemat lülitit saab kasutada samas rakus – vaja on vaid viia rakku mõlemat valku kodeerivad geenid, seejärel hakkab rakk kanalit moodustavat valku ning pumbana töötavat valku ise sünteesima. See võimaldab teadlastel valguse abil kergesti närvirakke sisse ja välja lülitada.

Kuna neuronid on selle meetodi abil täpselt kontrollitavad, on lootust leida vastuseid paljudele olulistele aju puudutavatele küsimustele. Meetod võib aidata teadlastel eristada spetsiifilisi rakke või närviimpulsside mustreid, mis mõjutavad meie mõtlemist või tähelepanu, või mis on seotud erinevate haigustega, nagu näiteks langetõbi.

"See avastus on revolutsioon neuroteadustes. Valguslülitid võivad asendada stimuleerivaid elektroode, mis on olnud viimase saja aasta jooksul neurofüsioloogide põhiliseks tööriistaks," märkis University College Londoni neuroloog Michael Hausser, kes kirjutas kommentaari ajakirjas Nature ilmunud Deisserothi ja Boydeni artiklile.

"Tegemist on ilmselt ühe fundamentaalse avastusega närviteaduse jaoks ja seda mitme külje pealt," kommenteeris Tartu Ülikooli füsioloogia instituudi vanemteadur Sulev Kõks.

"Neuronites erutuse esilekutsumiseks on vaja vaid valgust. Senine lahendus oli aga ühepoolne, katioonkanali avamisega on võimalik saavutada vaid neuronite erutus, ei kuidagi aga pidurust. Sellepärast Boyden oma kaastöötajatega otsisidki teisi analoogseid kanaleid, kuid teistsuguse ioonselektiivsusega - nad leidsid halorodopsiini (halo – kloorikanal). Halo stimuleerimisel valgusega saadi neuronite pidurdumine. Kuna ChR2 (valk, kanalirodopsiin) ja Halo on tundlikud erinevatele lainepikkustele, on nüüdsest võimalik neid kahte valku samaaegselt ühes neuronis kasvatades täpselt tuvastada mis toimub vastava neuroni pidurdumisel ja mis toimub tema erutumisel," ütles Kõks.

Langetõvehooge põhjustab ajus asuv epileptiline kolle, mis aeg-ajalt saadab valesid erutussignaale ja katkestab lühikeseks ajaks aju normaalse tegevuse. Parkinsoni tõve korral on aga kahjustatud üks aju struktuur - subtantia nigra. Nii langetõbe kui Parkinsoni tõbe saab ravida ajju viidud elektroodide abil. Elektroodi poolt saadetud elektriimpulsid mõjutavad aga peale haigete rakkude ka kõiki teisi lähedal asuvaid neuroneid, tekitades niimoodi kõrvalnähtusid ja vähendades ravi efektiivsust.

Deisseroth ja Boyden uurivad praegu loomi, kes on nende haiguste mudeliteks, et leida üles rakud, mida on vaja haiguse raviks sisse või välja lülitada. Nende avastused võivad aidata välja arendada uusi ravimeid, mille sihtmärgiks on just haiged rakud, või ühel päeval ehk asendada elektroodid täpsemate valgustundlike implantaatidega.