التحكم في الخلايا العصبية بالضوء فتح طرقًا جديدة لدراسة الدماغ – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Controlling nerve cells with light opened new ways to study the brain
(Laura Sanders – بواسطة: لورا ساندرز) 

ملخص المقالة:

لوحظ في عام 2002 لأول مرة أن تزيين خلايا طحالب تشلاميدوموناس ريينهاردتي (Chlamydomonas reinhardtii) ببروتينات يمكنها استشعار الضوء، ومن ثم  القدرة على التحكم في الخلايا العصبية – الخلايا العصبية للدماغ – من خلال توفير طريقة لتشغيلها وإيقافها، في المكان والزمان المناسبين تمامًا. وبذا تصبح الخلايا العصبية المعدلة وراثيا لإنتاج البروتينات الطحلبية دمى، يتم التحكم فيها بالضوء، حيث يمكن أن يؤدي وميض الضوء إلى حثها على إطلاق إشارات أو إجبار الخلايا العصبية النشطة على الصمت. وقد تلاعب العلماء مع هلوسات الفئران: الفئران قد شهدت خطوط غير موجودة، وتذكرت الغرفة التي لم تكن قط داخلها. وقد استخدم العلماء علم البصريات الوراثي (optogenetics)، الذي يمزج الضوء (البصريات) والجينات لجعل الفئران تحارب، تتزاوج وتأكل، وحتى الفأر أعمى البصر. ولأول مرة، أعاد علم البصريات الوراثي مؤخرًا جوانب رؤية رجل كفيف.

( المقالة )

تقدم طريقة تسمى “علم البصريات الوراثي” رؤى ثاقبة في الذاكرة والإدراك والإدمان

لم يتم اكتشاف بعض الاكتشافات العلمية الكبيرة في الواقع، بل هم مستعارون. وهذا ما حدث عندما جند العلماء البروتينات من مُقرض غير متوقع: الطحالب الخضراء.

وتم تزيين خلايا طحالب تشلاميدوموناس ريينهاردتي (Chlamydomonas reinhardtii) ببروتينات يمكنها استشعار الضوء. وهذه القدرة، التي لوحظت لأول مرة في عام 2002 ، جذبت انتباه علماء الدماغ بسرعة. وقد وعد بروتين حساس للضوء بالقدرة على التحكم في الخلايا العصبية – الخلايا العصبية للدماغ – من خلال توفير طريقة لتشغيلها وإيقافها، في المكان والزمان المناسبين تمامًا.

وتصبح الخلايا العصبية المعدلة وراثيا لإنتاج البروتينات الطحلبية دمى يتم التحكم فيها بالضوء. ويمكن أن يؤدي وميض الضوء إلى حث الخلايا العصبية الهادئة على إطلاق إشارات أو إجبار الخلايا العصبية النشطة على الصمت.

“هذا الجزيء هو مستشعر الضوء الذي نحتاجه” ، كما يقول عالم الأعصاب البصري، زهو-هوا پان (Zhuo-Hua Pan)  الذي كان يبحث عن طريقة للتحكم في خلايا الرؤية في شبكية عين الفئران.

وتسمى الطريقة التي تم تمكينها بواسطة هذه البروتينات المستعارة الآن علم البصريات الوراثي (optogenetics)، لمزيجها من الضوء (البصريات) والجينات. وفي أقل من عقدين من الزمن، أدى علم البصريات الوراثي إلى رؤى كبيرة حول كيفية تخزين الذكريات، وما الذي يخلق التصورات، وما الذي يحدث في الدماغ أثناء الاكتئاب والإدمان.

وقد تم استخدام الضوء لدفع نشاط خلايا عصبية معينة، وتلاعب العلماء مع هلوسات الفئران: الفئران قد شهدت خطوط غير موجودة، وتذكرت الغرفة التي لم تكن قط داخلها. وقد استخدم العلماء علم البصريات الوراثي لجعل الفئران تحارب، تتزاوج وتأكل، وحتى الفأر أعمى البصر. ولأول مرة، أعاد علم البصريات الوراثي مؤخرًا جوانب رؤية رجل كفيف.

وظهر دليل مبكرعلى إمكانات علم البصريات الوراثي حوالي الساعة 1 صباحًا في 4 أغسطس 2004. وكان عالم الأعصاب إد بويدن في مختبر في ستانفورد، يفحص طبقًا من الخلايا العصبية التي تمتلك جينًا لأحد مستشعرات الضوء الطحلبية، يُسمى تشانيل رودوبسين -2 . وكان بويدن سيسلط  ضوءً أزرقًا على الخلايا ليرى ما إذا كانت قد أطلقت إشارات. ولدهشته، كتب بويدن في حساب عام 2011 أن أول خلية قام بفحصها استجابت للضوء بدفعة من التصرف. وسرعان ما أصبحت الاحتمالات التي أثارتها شرارة النشاط الصغيرة تلك، التي وصفها بويدن وكارل ديسيروث من جامعة ستانفورد وزملاؤهما في تقرير تقني عام 2005  بأنها أصبحت حقائق بسرعة.

وفي مختبر بان، أعادت البروتينات المستجيبة للضوء الرؤية في الفئران المصابة بتلف في شبكية العين، وهو اكتشاف أدى الآن إلى تجربة اكلينيكية على البشر. ولم يتم تقديم وعد علم البصريات الوراثية في الأيام الأولى تلك، حيث كان العلماء يتعلمون أولاً كيفية استخدام هذه البروتينات في الخلايا العصبية. ويقول البروفيسور بان: “في ذلك الوقت، لم يتوقع أحد أن يكون لهذا العمل البصري الوراثي مثل هذا التأثير الهائل”.

ومنذ تلك الاكتشافات المبكرة، تم اعتماد مستشعرات ضوء الطحالب للاستخدام في العديد من مجالات أبحاث الدماغ. فعلى سبيل المثال، تستخدم عالمة الأعصاب تاليا ليرنر من جامعة نورث وسترن في شيكاغو، علم البصريات الوراثي لدراسة الروابط بين الخلايا في دماغ الفأر. وتسمح لها هذه الطريقة بتفكيك العلاقات بين الخلايا التي تنتج الدوبامين وتستجيب له، وهو رسول كيميائي يشارك في الحركة والمكافأة. وقد تساعد هذه الروابط الخلوية، المضاءة بواسطة علم البصريات الوراثي، في الكشف عن تفاصيل حول التحفيز والتعلم. وتقول: “إن بحثي حقًا لم يكن ممكنًا في شكله الحالي بدون علم البصريات الوراثي”.

كما أن علم البصريات الوراثي لا غنى عنه للباحثة “جين باز” من معاهد جلادستون في سان فرانسيسكو. وكانت هي وزملاؤها يبحثون عن الخلايا التي يمكن أن تمنع النوبات من الانتشار عبر الدماغ. ومن خلال منحها طريقة للتحكم في مجموعات متميزة من الخلايا العصبية، فإن علم البصريات الوراثي أمر بالغ الأهمية في بحثها. وتقول باز: “لم نتمكن حقًا من طرح هذه الأسئلة بأية أداة أخرى”.

وقاد بحث باز بمساعدة علم البصريات الوراثي، لبنية الدماغ المسماة المهاد (thalamus)، وهي محطة على الطريق للعديد من الشبكات العصبية في الدماغ. وتقول: “أتذكر قشعريرة الإوزة التي خبرتها في المرة الأولى التي سلطت فيها الضوء على المهاد وأوقفت النوبة”.

وحتى الآن، أجريت أبحاث علم البصريات الوراثي في الغالب على الفئران. وتقول ياسمين الشمايله من جامعة كولومبيا إن رؤى حول أدمغة أكثر تعقيدًا، بما في ذلك أدمغة الرئيسيات، قد يتم العثور عليها قريبًا. وفي عام 2009 ، وصف بويدن وزملاؤه علم البصريات الوراثي في قرد المكاك. وتدفع الشمايله وآخرون هذا الخط البحثي بقوة. وتقول: “نحن بالتأكيد على أعتاب” الكشف عن بعض المبادئ الرائعة لدماغ الرئيسيات، مثل كيفية تحويل الدماغ للإشارات من العين إلى تصورات.

وقد تطور علم البصريات الوراثي بسرعة. وقام العلماء بتصميم وتحسين مستشعرات الضوء الجديدة وطرق جديدة لدمجها مع التقنيات الأخرى. ويقول ليرنر إن أحد الأسباب المهمة للابتكار الواسع الانتشار اليوم هو الروح المبكرة للمشاركة من قبل رواد علم البصريات الوراثي. وفي جامعة ستانفورد، كان ديسيروث يدير بانتظام ورش عمل لتدريب العلماء الآخرين على هذه التقنية. ويقول ليرنر: “في بعض النواحي، لا يقل هذا أهمية عن اختراعه”.

ولذلك، من الجدير أخذ دقيقة لتقدير المشاركين الأصليين. وبغض النظر عما سيحدث بعد ذلك في هذا المجال سريع الحركة، هناك شيء واحد مؤكد: علماء الدماغ سيظلون إلى الأبد مديونين للطحالب.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر: 

https://www.sciencenews.org/article/brain-neuroscience-optogenetics-nerve-cells-light