Ljus som styr hjärnan
Med optogenetik öppnas nya möjligheter att förstå hur hjärnan fungerar. Den ljuskänsliga tekniken kan kontrollera aktiviteten i specifika nervceller, något som hittills varit omöjligt.
Tekniken, som innebär att man med hjälp av ljus och ljuskänsliga proteiner, kan slå på och av specifika populationer av nerveller i hjärnan, utsågs 2010 till årets metod av tidskriften Nature Methods. Och tekniken är ung. År 2005 publicerades den första artikeln när psykiatern och hjärnforskaren Karl Diesseroth vid Stanford university i Kalifornien i USA lyckades föra in genen för det ljuskänsliga proteinet channelrhodopsin-2 i däggdjursceller och sedan kontrollera cellerna med ljus. Därefter har tekniken utvecklats och forskarna kan nu styra aktiviteten i specifika nervceller utan att nervceller runt omkring påverkas, något som inte varit möjligt med äldre tekniker.
Vid Lunds universitet använder Merab Kokaia optogenetik för att undersöka mekanismer för hur epilepsi uppstår och utvecklas. I dag använder han tekniken för att studera sjukdomen, men målet är att utveckla nya metoder för behandling.
Merab Kokaia är professor i neurologi och kom först i kontakt med optogenetik 2006 när han reste till Stanford och där träffade bland annat Karl Diesseroth.
– Jag läste hans artikel från 2005 som beskrev tekniken och tänkte att den kunde passa för att studera nervceller vid epilepsi. Karl presenterade också data från sina studier och vi bestämde oss för att samarbeta, säger Merab Kokaia.
Vid epilepsi aktiveras vissa nervceller i hjärnan lättare än andra och fyrar av fel, vilket ger en okontrollerad elektrisk aktivitet. Det leder i sin tur till kramper och beroende på var i hjärnan de aktiverade nervcellerna finns varierar uttrycket av sjukdomen.
– Min hypotes är att med hjälp av optogenetik kunna normalisera nervcellsaktiviteten, säger Merab Kokaia.
Det som gör metoden så kraftfull är alltså att man på olika sätt kan manipulera utvalda grupper av nervceller. Merab Kokaia har fört in en gen som kodar för det ljuskänsliga proteinet halorhodopsin i hjärnan på möss och när det så kallade opsinet uttrycks i vissa nervceller kan deras aktivitet hämmas med laserljus.
– Vi har visat att detta fungerar in vitro och i djurförsök har vi sett att hämningen stoppar epilepsianfallen, men resultaten är än så länge preliminära och innan vi kan dra mer långtgående slutsatser måste vi göra fler försök.
Opsingenen förs oftast in i hjärnan med hjälp av en virusvektor, vanligen ett adenoassocierat virus, som man har tömt på virus-dna och ersatt med genen för ett opsin. För att ett opsin ska uttryckas i en nervcell krävs att rätt promotor är kopplad till genen för att starta transkriptionen. Eftersom vissa promotorer är cellspecifika och man vet vilka promotorer som är aktiva i vilka nervceller kan man genom valet av promotorer styra vilka nervceller som ska manipuleras.
Ljuset som sedan aktiverar opsinet levereras genom supertunna optiska fibrer, som placeras i eller på ytan av hjärnan. Olika opsiner styrs av olika våglängder och kan antingen aktivera eller hämma nervcellernas aktivitet.
Men optogenetik är fortfarande en metod för grundforskning och Merab Kokaia tror att det kan ta fem till tio år innan den är tillräckligt utvecklad för att kunna testas på människa. Innan dess måste dessutom ett antal säkerhetssteg överbryggas.
– Man måste undersöka hur hjärnan påverkas av att man injecerar en virusvektor, om den implanterade genen sprids och om den ger upphov till immunoreaktioner eller orsakar cancer. Det är en lång väg dit och man måste alltid väga nyttan mot risken.
På Karolinska Institutet använder Marie Carlén, forskarassistent vid institutionen för neurovetenskap, också optogenetik i sin forskning. Hon och hennes kollegor studerar schizofreni och även hon kom först i kontakt med tekniken via Karl Diesseroth.
I dag vet man inte varför människor får schizofreni och Marie Carlén använder optogenetik för att försöka förstå den biologiska grunden till sjukdomen.
En av orsakerna verkar vara förändringar i den elektriska balansen i hjärnan och hur information sprids mellan grupper av nervceller. Med hjälp av EEG har man till exempel sett att de elektriska hjärnvågorna hos schizofrena personer ser annorlunda ut än hos friska individer.
– Jag ville studera hur hjärnvågor uppstår och hur de kan förändras. Med optogenetik kan vi göra det i möss och råttor genom att slå på eller av specifika populationer av nervceller och på så sätt styra hjärnvågorna, säger Marie Carlén.
Hon och hennes kollegor har kunnat visa att det krävs fungerande NMDA-receptorer, jonkanalkopplade receptorer för glutamat, i en specifik grupp nervceller som kallas interneuron, för att kunna bilda normala hjärnvågor. Sedan tidigare vet man att droger som ger schizofreniliknande effekter blockerar just NMDA-receptorerna och Marie Carléns forskning har visat vilka nervceller som är involverade i dessa effekter.
I sina försök såg Marie Carlén även att möss utan NMDA-receptorer i denna specifika population av nervceller fick problem med inlärning och minne på liknande sätt som schizofrenipatienter.
Eftersom det inte finns någon lämplig promotor att använda i en virusvektor för den typ av nervceller som Marie Carlén studerar använder hon sig av ett annat system än Merab Kokaia för att föra in de ljuskänsliga proteinerna i rätt nervceller. Systemet kallas cre-lox och innebär att bara de nervceller som uttrycker proteinet cre kan uttrycka de ljuskänsliga proteinerna.
– För mig är optogenetiken ett fantastiskt redskap inom grundforskningen, men det finns egentligen ingenting som hindrar att tekniken används i människa.
Även Marie Carlén poängterar att det krävs noggranna studier av bland annat bieffekter innan det kan bli aktuellt.
– Dessutom är det en ganska svår teknik och det finns etiska aspekter. Men att man som vissa kritiker har hävdat skulle kunna styra männsikors tankar är omöjligt. Hjärnan utgörs av ett så komplext system av signalvägar att det inte är realistiskt.
Trots att de som i dag använder optogenetik ser dess revolutionerande potential används tekniken fortfarande av relativt få forskare. Men både Marie Carlén och Merab Kokaia är övertygade om att användningen kommer att explodera.
– Optogenetik kan jämföras med GFP, green fluorescent protein, som fick Nobelpriset 2008. Med GFP har man kunnat se strukturer och celler i hjärnan på ett bättre sätt. Med optogenetik kan man studera hjärnans och nervcellernas funktioner på ett detaljerat sätt och det är en otroligt kraftfull teknik för att studera olika mekanismer, säger Merab Kokaia.