زمانیکه اپتوژنتیک بیش از یک دهه پیش معرفی شد، به روش انتخابی بسیاری از دانشمندان علوم اعصاب مبدل گردید. با استفاده از نور بمنظور کنترل انتخابی کانالهای یونی در نورونهای مغز حیوانات زنده، محققان قادر به مشاهده این شدند که چگونه دستکاری مدارهای مخصوص مغزی، رفتار را در آن واحد تغییر می‌دهد. از آن زمان به بعد، دانشمندان از این تکنیک بمنظور مطالعه مدارهای مغزی و عملکرد مغز در گونه‌های مختلف، از پشه‌های میوه تا میمونها بهره جستند. این روش حتی در آزمایشات بالینی بمنظور بازیابی بینایی بیماران مبتلا به یک اختلال ژنتیکی نادر (ریتینیت پیگمنتوزا)، بررسی شده است. در تاریخ ۸ فوریه در نشریه Science، محققان، آزمایشات موفقیت آمیزی را با استفاده از ذرات نانو تزریق شده گزارش دادند. این آزمایشات، زمینه را برای دست یابی به روشی غیر تهاجمی بمنظور تحریک مغز با نور که روزی بتواند کاربرد درمانی داشته باشد، نزدیک‌تر می‌سازد.
مقاله مرتبط: ابزار اپتوژنتیک جدید برای کنترل پیام رسانی عصبی توسط نور آبی
توماس مک‌هیو، دانشمند علوم اعصاب در انستیتو علوم مغزی Riken ژاپن می‌گوید: “اپتوژنتیک، تمامی آزمایشهای علوم اعصاب برای جستجوی مدارهای مغزی را دگرگون ساخته است”. با این حال، این روش هنوز هم به یک فیبر کاشت شده دائمی نیازمند است- بهمین منظور دانشمندان در سالهای اخیر، بدنبال بررسی روشهایی برای تحریک مغز بصورت کم تهاجمی‌تر بوده‌اند. گروه‌هایی هم روشهایی با استفاده از میدان‌های مغناطیسی، جریانهای الکتریکی و صوت را پیشنهاد داده‌اند.
مک‌هیو و همکارانش تصمیم بر اتخاذ رویکرد دیگری گرفتند: آنها، نور نزدیک به فروسرخ را که در مقایسه با نور آبی، آسان‌تر به بافتها نفوذ می‌کند، انتخاب کردند. نور آبی بطور معمول در اپتوژنتیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. او می‌گوید: “چیزی که ما بعنوان مزیت مشاهده کردیم، رویکردی بر پایه علم شیمی بود که بوسیله آن توانستیم انرژی امواج نزدیک به فروسرخ را بمنظور نفوذ به بافت، مهار کنیم، ولی ما هنوز هم از ابزار موجود (فیبر کاشت شده دائمی) که طی دهه اخیر ایجاد شده است، استفاده می‌کنیم”.
این پروژه توسط Shou Chen، یکی از دستیاران پسادکترای آزمایشگاه McHugh که پس از دریافت مدرک PhD خود از شیمی به علوم اعصاب تغییر حیطه داد، آغاز گردید. Chen اذعان دارد: “من از اپتوژنتیک بمنظور مطالعه یک دسته الیاف از هسته هیپوتالامیک به هیپوکامپ استفاده می‌کردم. در آن موقع، پرسش من این بود که آیا می‌توانیم این دستکاری مدارهای عصبی را که در نقاط عمقی مغز واقع شده‌اند، بصورت غیر تهاجمی و بجای کاشت فیبرهای نوری انجام دهیم؟”
بهمین منظور، Chen، مک‌هیو و همکارانشان روشی را برای هدایت تحریک اپتوژنتیکی با استفاده از ذرات نانویی که می‌توانند امواج نزدیک به فروسرخ نفوذی به بافت را به تابشهای آبی و سبز تبدیل کنند (فرآیندی تحت عنوان upconversion)، طراحی کردند. این روش، به انجام دو تزریق در منطقه‌ای از مغز که مورد مطالعه بود، نیاز داشت: یک تزریق حاوی وکتوری که با کانالهای یونی حساس به نور (این کانالها تحت عنوان چنل‌رودوپسین‌ها شناخته می‌شوند) بارگیری شده‌است و تزریق دیگر حاوی ذرات نانو upconverting.
در آغاز، تیم تحقیق این روش را در موش و در ناحیه تگمنتال شکمی (VTA) مورد بررسی قرار داد. ناحیه تگمنتال شکمی، منطقه‌ای عمیق در مغز است که جمعیت بزرگی از نورونهای دوپامینرژیک را در خود جای می‌دهد. پس از تزریق وکتور ویروسی و ذرات نانو به این ناحیه در موش بی‌حس شده، محققان امواج فروسرخ را به سر حیوان تاباندند- و دریافتند که می‌توانند ترشح دوپامین را با فعالسازی نورونهای واقع در VTA، تحریک کنند. Chen می‌گوید: “زمانیکه نور آبی که بصورت کافی از ذرات نانو واقع در VTA ساطع می‌شد مشاهده کردیم، فهمیدم که این روش باید عملی باشد، و این رخداد برای من بسیار هیجان انگیز بود.”
Chen و همکارانش سپس این روش را در تعدادی از آزمایش‌ها روی هیپوکامپ موش بررسی کردند. نهایتا، محققان قادر بودند تا رفتارهای مرتبط با ترس را با کنترل مجموعه‌ای از نورونهای دخیل در تشکیل حافظه، دستکاری کنند.
Karl Deisseroth، پیشگام اپتوژنتیک در نامه‌ای به نشریه The Scientist می‌نویسد: “این، مطالعه‌ای خوب است- گامی قابل توجه در ایجاد دستکاری‌های عصبی غیر تهاجمی و هدفدار.” Deisseroth، استاد دانشگاه استفنورد که در این مطالعه شرکت نداشت، برای اولین بار در سال ۲۰۱۱ با دانشجوی سابق خود، پولینا انیکیوا، امکان استفاده از ویژگی upconversion نور را در اپتوژنتیک غیر تهاجمی مطرح کرد.
این روش هنوز هم در مرحله فعلی خود، محدودیتهایی دارد. یکی از مسائل اصلی، کارآیی upconversion است- ذرات نانو تنها می‌توانند ۲.۵ درصد از امواج نزدیک به فروسرخی را که دریافت می‌کنند، به نور آبی تبدیل کنند. انیکیوا که در این مطالعه شرکت نداشت به نشریه The Scientist می‌گوید: “در نتیجه، انتقال این امواج با LED کوچک و بی‌سیم، بسیار دشوار خواهد بود. بعلاوه، تولید امواج با انرژی که برای دست‌یابی به ساختارهای عمقی مغز ارگانیسمهای بزرگتر مورد نیاز است، بطوریکه حرارت قابل توجهی تولید نشود، خالی از چالش نخواهد بود.”
مسئله‌ای که بطور بالقوه با توجه به اظهارات Wolfgang Parak، از دانشگاه هامبورگ که در این مطالعه شرکت نداشت وجود دارد، این است که ذرات نانو، چگونه با خاصیت انعطاف پذیری مغز تطابق خواهند یافت. Parak می‌گوید: “تمامی سلولها تمایل دارند تا ذرات نانو را در خود جای دهند، پس موقعیت این ذرات ممکن است در طول زمان، تغییر یابد.”
مقاله مرتبط: مطالعه جدید حافظه از طریق اپتوژنتیک
پیش به سوی DBS غیر تهاجمی
با وجود چالشهای بسیار، اپتوژنتیک بر پایه ذرات نانو ممکن است نهایتا، هدایت درمان با تحریک عمقی مغز (DBS) به شیوه غیر تهاجمی را ممکن سازد. اکنون، در روش DBS، از یک دستگاه شبیه به ضربان‌ساز برای تحریک مغز استفاده می‌شود؛ و این روش در طی دهه‌ها برای درمان تعداد انگشت شماری از اختلالات عصبی مانند بیماری پارکینسون و صرع استفاده می‌شود. در حالیکه بیش از ۱۰۰هزار بیمار با این روش درمان شده‌اند، این روش یک جنبه منفی دارد- مانند اپتوژنتیک مرسوم، اجزای کلیدی (الکترودها و تولید کننده جریانهای الکتریکی) باید توسط عمل جراحی در مغز کاشت شوند.
آندرس لوزانو، جراح مغز و اعصاب و استاد دانشگاه تورنتو می‌گوید: “اکنون، انتخاب‌های بسیاری بمنظور تحریک بافتهای عمقی مغز وجود دارد. همچنین، روشهای دیگر نفوذ در بافت مغز وجود دارد که می‌توانند بمنظور دست‌یابی به و دستکاری فعالیت مدارهای مغزی، حتی بدون استفاده از سخت‌افزارهای کاشت دائم در مغز مورد استفاده قرار گیرند.”
با این حال، لوزانو به The Scientist می‌گوید بسیاری از این روشهای جدید، مغز را به هر نحوی تغییر می‌دهند؛ مانند اپتوژنتیک بر پایه‌ی Upconversion که به تزریق ذرات نانو یا ویروسهای حامل ژنهای کد کننده‌ی کانالهای یونی حساس به نور نیاز دارد. بعلاوه، فرآیندهایی که بمنظور عملی کردن این روشها مورد نیاز است، هنوز هم تهاجمی هستند، زیرا آنها بصورت معمول، به تزریق مستقیم به درون مغز نیاز دارند. ولی روزی این مانع می‌تواند با انتقال این مولکولها توسط جریان خون و با استفاده از روشهای دیگر، مخصوصا فراصوت بمنظور افزایش نفوذ پذیری سد خونی- مغزی در محل مورد نظر، برطرف شود. Chen می‌گوید: “ما در تلاشیم تا ذرات نانو را بمنظور قادر ساختن آنها برای عبور از سد خونی- مغزی، ارتقا دهیم.”
Deisseroth می‌نویسد تمامی تلاشها بمنظور ایجاد DBS غیر تهاجمی برای اهداف درمانی “باید ایمن بوده و نیازمندی‌های انرژی آنها که به سطح گسترده مغز انسان داده می‌شود، عملی و قابل دسترس باشند. پس ما باید صبر پیشه کنیم و ببینیم که کدام روشها واقعا در مغز انسان کارآمد است؛ تا آن موقع، یا حتی اگر این هدف هیچ موقع محقق نشود، روشهای جدید برای انجام آزمایشهای زیستی همواره با استقبال مواجه خواهند شد.”
حال، تیم بمنظور بهبود روش خود در تلاش است- برای مثال، با افزایش کارآمدی ویژگی upconversion در ذرات نانو- و نهایتا افزایش سطح مطالعه با بررسی آن در حیوانات بزرگتر مانند موش صحرایی یا پریماتها غیر انسان. مک‌هیو می‌گوید: “این مطالعه، یکی از هزاران هزار گامی است که باید برداشته شود.”
