Oamenii de știință au învățat să modifice direct conexiunile dintr-un creier viu. Pot adăuga legături noi între neuroni și le pot șterge pe cele existente, iar cu aceste tehnici au reușit deja să schimbe comportamentul unor animale și chiar să le implanteze amintiri. Experimentele s-au făcut deocamdată pe viermi și pe șoareci.
Pe termen lung, instrumentele ar putea duce la descoperiri despre funcționarea creierului și la un mod cu totul nou de a trata problemele de sănătate mintală. Poate chiar la tratamente pentru tulburarea de stres posttraumatic (PTSD), schizofrenie sau tulburarea obsesiv-compulsivă (TOC).
Creierul uman are aproximativ 86 de miliarde de neuroni, legați între ei într-o rețea uriașă de sute de mii de miliarde de conexiuni. Aceste legături, realizate prin structuri numite sinapse, formează circuitele de care depinde tot ce simțim, percepem și facem. Iar circuitele nu stau pe loc: se modifică permanent, pe măsură ce creștem, învățăm, ne formăm amintiri și obiceiuri.
Specialiștii în neuroștiințe încearcă de mult să pătrundă în aceste circuite ca să înțeleagă cum funcționează creierul. Unele dintre primele imagini ale circuitelor în funcțiune au venit acum doar 20 de ani, odată cu optogenetica, o tehnică ce folosește lumina pentru a activa și a dezactiva celule, inclusiv pe cele din creier. Pentru această cercetare, trei oameni de știință au primit Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină din 2026.
Dacă traseele din creier ar fi autostrăzi, optogenetica ar însemna „reglarea traficului pe o rețea de drumuri deja construită“, a explicat Sangkyu Lee, neurobiolog la Institutul pentru Științe Fundamentale din Coreea de Sud. Și mai bine ar fi însă „modificarea drumului însuși“, adică schimbarea efectivă a conexiunilor din creier, a adăugat Lee.
„Ideea că, manipulând activitatea creierului, ai putea, în principiu, să faci pe cineva fericit sau trist ori să-i provoci sete sau foame este incredibilă când te gândești la implicațiile ei“, a declarat Don Arnold, neurobiolog la Universitatea din California de Sud.
Din vierme în șoarece: sinapse construite în laborator
Kafui Dzirasa, psihiatru la Universitatea Duke, a ajuns la „ingineria sinaptică“ din întâmplare. Încerca să dezvolte tratamente pentru afecțiuni psihiatrice cu ajutorul interfețelor creier-mașină, care modifică activitatea neuronilor. Electrozii detectau activitatea dintr-o regiune a creierului și declanșau un computer care stimula o altă regiune, astfel încât cele două ajungeau, practic, „conectate“. Ca tratament pentru bolile psihice, abordarea era însă impracticabilă, așa că Dzirasa a început să caute alte moduri de a lega două regiuni separate ale creierului.
„Ne-am dat seama că exact asta face o sinapsă, așa că ne-am zis: «De ce să nu creăm pur și simplu o sinapsă?»“, a spus el.
Neurobiologii aveau deja o metodă pentru asta, dar la o creatură cu un creier foarte simplu: viermele nematod Caenorhabditis elegans. Are doar aproximativ 300 de neuroni, ceea ce îl face ideal pentru studiile de neuroștiințe. În anul 2014, Ithai Rabinowitch, neurobiolog la Universitatea Ebraică din Ierusalim, și colegii săi au reușit să schimbe comportamentul acestor viermi reconfigurându-le circuitele neuronale.
Echipa de cercetare a creat un tip de sinapsă care transmite particule încărcate electric între două celule, prin canale proteice speciale. Aceste proteine sunt produse de gene introduse în ADN-ul celulelor cu ajutorul unui virus programat special. Cercetătorii au introdus în viermi proteine sinaptice de șoarece, iar conexiunile artificiale astfel create nu au interferat cu sinapsele proprii ale viermilor. Astfel au putut modifica un circuit care controlează simțul mirosului: viermii au început să evite un miros care înainte îi atrăgea.
De atunci, tehnica a fost folosită pentru a studia circuitele neuronale implicate în tot felul de procese, de la defecare până la învățare. Într-un caz frapant, o altă echipă a recurs la ea ca să reconfigureze o amintire. Cercetătorii au antrenat mai întâi viermii să prefere o anumită temperatură, apoi au ocolit acea amintire cu o sinapsă electrică, iar viermii s-au îndreptat în schimb spre temperaturi mai ridicate.
„Este ca un experiment de tip «Inception», în care implantezi o amintire creând o conexiune artificială“, a spus autorul principal al studiului, Daniel Colón-Ramos, biolog celular la Școala de Medicină Yale.
Rămânea de văzut dacă abordarea funcționează și în creierele mult mai complexe ale mamiferelor. Cu cât un creier e mai mare și mai complicat, cu atât e mai greu de împiedicat apariția conexiunilor nedorite, care pot face ravagii și pot duce chiar la moarte. „Ai nevoie de un control și de o precizie mult mai mari la un animal cu miliarde de neuroni“, a spus Colón-Ramos.
Într-un studiu publicat în mai, Dzirasa, Colón-Ramos și echipa lor au demonstrat că tehnica poate fi aplicată și la șoareci. Au creat proteine sinaptice care se legau doar de un partener conceput special, nu între ele și nici de proteinele sinaptice aflate deja în creierul șoarecelui. Cu acest instrument au conectat diferite tipuri de celule din două circuite cerebrale și au modificat comportamentul animalelor.
Unele dintre aceste schimbări de comportament oferă indicii despre posibile paralele cu creierul uman. Într-un studiu publicat ca preprint pe serverul bioRxiv în martie anul trecut, Dzirasa și colegii săi au testat instrumentul pe șoareci cu o mutație genetică ce le provoca comportamente repetitive de îngrijire personală, asemănătoare cu TOC. Cercetătorii au introdus sinapse care ocoleau circuitul perturbat, iar comportamentul patologic s-a redus. „Aceasta este o demonstrație clară a potențialului pe care îl are tehnica în abordarea bolilor umane“, a declarat Dzirasa.
Uneori, soluția e o conexiune în minus
Cercetătorii au pus la punct și alte tehnici pentru crearea de conexiuni noi. Unele situații pot cere însă exact opusul: ștergerea celor existente. În PTSD (stresul posttraumatic), de exemplu, imagini sau sunete altfel inofensive pot declanșa anxietate. Aceste reacții pot proveni din conexiunile formate între neuronii senzoriali și celulele „emoțiilor negative“ din amigdală.
„Este tentant să te gândești că, dacă ai putea șterge acele sinapse, poate ai scăpa de asta“, a spus Arnold.
Deocamdată, instrumentele care șterg sinapse sunt mult mai puțin precise decât cele care le adaugă. Arnold și colegii săi, de pildă, au descoperit o tehnică ce șterge în masă sinapsele din neuroni, degradând proteinele care le țin laolaltă. Anul trecut au extins-o într-un set de instrumente care poate șterge doar sinapsele inhibitoare sau doar pe cele excitatoare (primele fac neuronii mai puțin predispuși să se activeze, celelalte, mai predispuși) și care poate fi pornit cu lumină sau cu substanțe chimice.
Într-un studiu din aprilie, Lee și colegii săi au descris un instrument ceva mai precis, numit „trogocitoză sintetică“ (Synthetic Trogocytosis), sau SynTrogo. SynTrogo recrutează astrocitele, un tip de celule din creier care elimină în mod natural sinapse. Cu ajutorul unor proteine speciale de tip „încuietoare“ și „cheie“, care declanșează eliminarea, echipa lui Lee a reușit să îndepărteze mai puțin de o treime din sinapsele unor tipuri specifice de celule din două zone ale hipocampului șoarecilor, regiunea creierului esențială pentru memorie. Conexiunile rămase s-au întărit, iar animalele s-au descurcat mai bine la testele de memorie decât cele nemodificate. Rezultatul sugerează posibile aplicații în afecțiunile de neurodezvoltare legate de o conectivitate anormală, precum schizofrenia, dar și în cele care afectează memoria, ca demența.
Pentru Colón-Ramos, posibilitatea de a elimina sinapse, pe lângă cea de a le adăuga, aduce „mult mai multă versatilitate“. „Ai o pedală de accelerație, dar acum ai și frâne, așa că poți face mult mai multe“, a spus el.
Până la creierul uman, drumul e încă lung
Rabinowitch își imaginează o zi în care oamenii de știință vor putea construi conectomi personalizați, adică seturi de conexiuni făcute pe măsură, la scara unui creier întreg. „Te așezi la computer și spui: «Hai să construim creierul ăsta». Apoi ți se afișează lista de gene pe care trebuie să le introduci în organism și îți construiești conectomul sintetic”, a spus el. În cele din urmă, crede Rabinowitch, asta ar putea duce la animale modificate genetic care să îndeplinească sarcini specifice sau chiar la apariția vieții artificiale.
Folosirea acestor tehnici la oameni rămâne însă departe. Optogenetica, o tehnologie veche de 20 de ani și premiată cu Nobel, abia și-a dovedit siguranța în studiile clinice pe oameni.
Ca să modifice circuite umane, cercetătorii vor trebui să găsească o cale sigură de a duce ADN-ul dincolo de bariera hematoencefalică și în interiorul neuronilor. Oamenii de știință lucrează la sisteme de administrare în creier, dar „aceasta este o barieră pe care nimeni nu a depășit-o încă cu adevărat“, a spus Arnold. Și nimeni nu știe cât de sigure sunt noile instrumente. „Începem să testăm dacă țesutul uman le poate tolera“, a spus Dzirasa.
Până acum, experimentele pe viermi și șoareci au arătat că circuitele unui creier viu pot fi refăcute, nu doar pornite și oprite, ca prin optogenetică. Sinapsele adăugate au ocolit un circuit perturbat și au redus un comportament asemănător TOC, iar eliminarea unei părți dintre sinapse a dus la rezultate mai bune la testele de memorie. Înainte de orice tratament pentru oameni, instrumentele sunt în primul rând o cale de a afla mai multe despre creier. „Dacă nu știi cum funcționează ceva, nu poți să-l repari. Aceste instrumente ne vor oferi cunoștințele de care avem nevoie pentru orice speranță de vindecare“, a spus Colón-Ramos.
Dincolo de transportul ADN-ului în creier și de problema siguranței, rămâne o condiție poate și mai importantă: cercetătorii trebuie să înțeleagă mult mai bine cum funcționează creierul uman înainte de a putea interveni util în el. Ingineria sinaptică ar putea fi însă tocmai calea spre această înțelegere.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Oamenii de știință au făcut celulele unui bărbat de 80 de ani să arate ca la 19 ani. Ar putea însemna asta că îmbătrânirea e reversibilă?
De 89 de ani se tot raportează lumini de la „faruri fantomă” care nu există. În sfârșit, știm de ce
Un exercițiu simplu, care poate ajuta la scăderea tensiunii arteriale. Nu ai nevoie decât de un perete
O substanță psihedelică din veninul unei broaște ar putea trata depresia majoră
