Mawimbi ya sauti yanaonyeshwa kama taa nyepesi ya oscillating. natrot / Shutterstock.com

Je! Ikiwa haukuhitaji upasuaji ili kuingiza pacemaker kwenye moyo mbaya? Je! Ikiwa unaweza kudhibiti kiwango chako cha sukari ya damu bila sindano ya insulini, au kupunguza mwanzo wa mshtuko bila kushinikiza hata kifungo?

Mimi na timu ya wanasayansi katika maabara yangu katika Taasisi ya Salk wanashughulikia changamoto hizi kwa kukuza teknolojia mpya inayojulikana kama sonogenetics, uwezo wa kudhibiti shughuli za seli bila sauti.

Kutoka kwa mwanga hadi sauti

Mimi ni mtaalam wa akili nia ya kuelewa jinsi ubongo hugundua mabadiliko ya mazingira na kujibu. Wanajinolojia kila wakati wanatafuta njia za kushawishi neurons kwenye akili hai ili tuweze kuchambua matokeo na kuelewa jinsi ubongo huo unavyofanya kazi na jinsi ya kutibu shida za ubongo.

Kuunda mabadiliko haya mahususi inahitaji maendeleo ya zana mpya. Kwa miongo miwili iliyopita chombo cha kwenda kwa watafiti kwenye shamba langu imekuwa optogenetics, mbinu ambayo seli za ubongo zilizowekwa kwenye wanyama zinadhibitiwa na mwanga. Utaratibu huu unajumuisha kuingiza nyuzi za macho ndani ya ubongo wa mnyama kutoa mwanga kwa eneo linalolengwa.

Wakati seli hizi za neva zinafunuliwa na mwanga wa bluu, protini nyeti nyepesi huwashwa, ikiruhusu seli hizo za ubongo kuwasiliana na kila mmoja na kurekebisha tabia ya mnyama. Kwa mfano, wanyama walio na ugonjwa wa Parkinson wanaweza kuwa kuponywa kwa kutetemeka kwao kwa kujitolea na mwangaza kwenye seli za ubongo ambazo zimetengenezwa hususan kuzifanya iwe nyepesi. Lakini shida inayoonekana ni kwamba utaratibu huu unategemea kuingiza kwa waya kwenye ubongo - mkakati ambao hauwezi kutafsiri kwa urahisi kwa watu.

Kusudi langu lilikuwa kujua jinsi ya kudanganya ubongo bila kutumia mwangaza.

Udhibiti wa sauti

Niligundua kuwa mawimbi ya sauti - mawimbi ya sauti zaidi ya masikio ya wanadamu, ambayo ni macho na salama - ni njia nzuri ya kudhibiti seli. Kwa kuwa sauti ni aina ya nishati ya mitambo, nilifikiria kwamba ikiwa seli za ubongo zinaweza kufanywa kuwa nyeti nyeti, basi tunaweza kuzibadilisha na ultrasound. Utafiti huu ulitupelekea ugunduzi wa kwanza kutokea protini mitambo ya kizuizi ambayo ilifanya seli za ubongo ziwe nyeti kwa ultrasound.

Teknolojia yetu inafanya kazi kwa hatua mbili. Kwanza tunaanzisha nyenzo mpya za maumbile ndani ya seli zisizo na uwezo wa ubongo kutumia virusi kama kifaa cha kujifungua. Hii hutoa maagizo kwa seli hizi kutengeneza protini zinazojibika kwa ultrasound.

Hatua inayofuata ni kutoa mafuriko ya ultrasound kutoka kwa kifaa nje ya mwili wa mnyama inayolenga seli na protini nyeti. Pulsa ya ultrasound inaboresha seli.

Masafa ya sauti husimamia infrasound, sauti za wazi na mawimbi ya ultrasound na wanyama ambao wanaweza kusikia. Watu wanaweza kusikia tu kati ya 20 Hz na 20,000 Hz. Designua / Shutterstock.com

Dhibitisho katika minyoo

Tulikuwa wa kwanza kuonyesha jinsi sonogenetics inaweza kutumika kuamsha neurons kwenye minyoo ya microscopic inayoitwa Caenorhabditis elegans.

Kutumia mbinu za maumbile, tuligundua protini ya kawaida inayoitwa TRP-4 - ambayo inapatikana katika neuroni kadhaa za minyoo - ambayo ilikuwa nyeti juu ya mabadiliko ya shinikizo la ultrasound. Mawimbi ya shinikizo la sauti ambayo hufanyika katika upeo wa sauti ni juu ya kizingiti cha kawaida cha kusikia kwa mwanadamu. Wanyama wengine, pamoja na popo, nyangumi na hata nondo, wanaweza kuwasiliana katika masafa haya ya kutuliza, lakini masafa yanayotumika katika majaribio yetu huenda zaidi ya yale hata wanyama hawa wanaweza kugundua.

Timu yangu na mimi tulionyesha kuwa neurons zilizo na protini ya TRP-4 ni nyeti kwa masafa ya ultrasonic. Mawimbi ya sauti kwenye masafa haya yalibadilisha tabia ya minyoo. Tulibadilisha maumbile miwili ya minyoo ya 302 na tukongeza jeni la TRP-4 ambalo tulijua kutoka kwa masomo ya zamani alihusika na mechanosurance.

Tulionyesha jinsi mafuriko ya ultrasound inaweza kufanya mwelekeo wa mabadiliko ya minyoo, kana kwamba tunatumia udhibiti wa mbali wa minyoo. Uchunguzi huu ulithibitisha kwamba tunaweza kutumia ultrasound kama zana ya kusoma kazi ya ubongo katika wanyama hai bila kuingiza kitu chochote ndani ya ubongo.

Kutuma pigo la ultrasound kwa minyoo iliyo na protini nyeti nyeti husababisha ubadilishe mwelekeo:

{vembed Y = vLOqvBG6x-E}

Faida za sonogenetics

Upataji huu wa kwanza uliashiria kuzaliwa kwa mbinu mpya ambayo inatoa ufahamu wa jinsi seli zinaweza kufurahishwa na sauti. Kwa kuongeza, ninaamini kuwa matokeo yetu yanaonyesha kuwa sonogenetics inaweza kutumika kudhibiti aina nyingi za seli na kazi za simu ya mkononi.

C. elegans Ilikuwa mwanzo mzuri wa kukuza teknolojia hii kwa sababu mnyama ni rahisi, na tu neurons za 302. Kati ya hizi, TRP-4 iko katika neva nane tu. Kwa hivyo tunaweza kudhibiti neurons zingine kwa kuongeza kwanza TRP-4 kwao na kisha kuelekeza kwa usahihi ultrasound kwenye hizi neurons maalum.

Lakini wanadamu, tofauti na minyoo, hawana aina ya TRP-4. Kwa hivyo mpango wangu ni kuanzisha protini nyeti-nyeti ndani ya seli maalum za wanadamu ambazo tunataka kudhibiti. Faida ya njia hii ni kwamba ultrasound haitaingiliana na seli zingine katika mwili wa binadamu.

Haijulikani kwa sasa ikiwa protini zaidi ya TRP-4 ni nyeti kwa ultrasound. Kuainisha protini kama hizo, ikiwa kuna yoyote, ni eneo la utafiti mkubwa katika maabara yangu na shamba.

Sehemu bora juu ya sonogenetics ni kwamba hauhitaji kuingizwa kwa ubongo. Kwa sonogenetics, tunatumia virusi vilivyobuniwa - visivyoweza kuiga - kutoa vifaa vya maumbile kwa seli za ubongo. Hii inaruhusu seli kutengeneza protini nyeti nyeti. Njia hii imekuwa ikitumiwa toa vifaa vya maumbile kwa damu ya mwanadamu na seli za misuli ya moyo katika nguruwe.

Sonogenetics, ingawa bado iko katika hatua za mwanzo kabisa za maendeleo, inatoa mkakati wa riwaya wa matibabu kwa shida kadhaa zinazohusiana na harakati ikiwa ni pamoja na ugonjwa wa Parkinson, kifafa na dyskinesia. Katika magonjwa haya yote, seli fulani za ubongo huacha kufanya kazi na huzuia harakati za kawaida. Sonogenetics inaweza kuwezesha madaktari kuwasha au kuzima seli za ubongo mahali maalum au wakati na kutibu shida hizi za harakati bila upasuaji wa ubongo.

Ili hii ifanye kazi, eneo linalokusudiwa la ubongo litahitaji kuambukizwa na virusi vilivyobeba jeni kwa protini nyeti. Hii imefanywa katika panya lakini bado kwa wanadamu. Tiba ya jeni inakuwa bora na sahihi zaidi, na ninatumai kuwa watafiti wengine watakuwa wameamua jinsi ya kufanya hivyo kwa wakati tukiwa tayari na teknolojia yetu ya sonogenetic.

Kupanua sonogenetics

Tumepokea msaada mkubwa Kuendeleza teknolojia hii, fanya utafiti wa awali na kuanzisha timu ya kimataifa.

Na fedha za ziada kutoka Ulinzi wa Miradi ya Utafiti wa Miradi ya Ulinzi Programu ya ElectRx, tunaweza kuzingatia kutafuta protini ambazo zinaweza kutusaidia "kuzima" neurons. Tuligundua proteni hivi karibuni ambazo zinaweza kudanganywa kuamsha neurons (kazi iliyochapishwa). Hii ni muhimu kwa kuunda mkakati wa matibabu ambayo inaweza kutumika kutibu magonjwa ya mfumo mkuu wa neva kama ya Parkinson.

Kugusa jani la mmea wa mimosa pudica husababisha majibu ya kukunja ambayo husababisha majani kufunga. Mmea pia ni nyeti kwa ultrasound ambayo inaweza kusababisha athari sawa:

{vembed Y = 7lP35rsQu8c}

Timu yetu pia inafanya kazi katika kupanua teknolojia ya sonogenetic. Tumeona sasa mimea kadhaa, kama vile "usiniguse" (Mimosa pudica), ni nyeti kwa ultrasound. Kama tu majani ya mmea huu yanajulikana kupunguka na kukunja kwa ndani wakati umeguswa au kutikiswa, kutumia pulsa za ultrasound kwa tawi la pekee huleta majibu yale yale. Mwishowe, tunatengeneza njia tofauti ya kujaribu ikiwa ultrasound inaweza kushawishi michakato ya metabolic kama secretion ya insulini kutoka kwa seli za kongosho.

Sonogenetics inaweza siku moja kuepusha dawa, kuondoa hitaji la upasuaji wa ubongo unaovamia na kuwa muhimu kwa hali kuanzia shida ya mkazo ya mhemko na shida za harakati hadi maumivu makali. Uwezo mkubwa kwa sonogenetics ni kwamba teknolojia hii inaweza kutumika kudhibiti karibu aina yoyote ya seli: kutoka kiini kinachozalisha insulini kwenye kongosho hadi mahali pa moyo.

Matumaini yetu ni kwamba sonogenetics inabadilisha nyanja za neuroscience na dawa.

Kuhusu Mwandishi

Sreekanth Chalasani, Profesa Mshiriki wa Masihi Neurobiology (Taasisi ya Salk) na Profesa msaidizi wa Sayansi ya Neurobiology, Chuo Kikuu cha California San Diego

Makala hii imechapishwa tena kutoka Mazungumzo chini ya leseni ya Creative Commons. Soma awali ya makala.