علوم اعصاب با نور روشن تر می شود

دومین کارگاه اپتوژنتیک که در دانشگاه شهید بهشتی برگزار شد بهانه ای بود تا به سراغ این رشته جدید و پر آتیه در حوزه لیزر پزشکی رفته و آشنایی مختصری از آن به دست آوریم. روش اپتوژنتیک در سال 2016 به عنوان یکی از 10 روش برتر در دنیا معرفی شد و ابزاری است که در مطالعات علوم اعصاب به متخصصان در این زمینه کمک می کند تا بتوانند شناخت بهتری از سیستم های عصبی داشته باشند. همان طور که از نام این روش مشخص است از ترکیب دو مبحث اپتیک و ژنتیک تشکیل شده است که می توانند با اقداماتی که بر روی ژنتیک سلول های عصبی انجام می شود، نورون یا همان سلول های عصبی را به کمک نور تحریک و کنترل کنند.

سلول های عصبی در حالت طبیعی به نور حساس نیستند بنابراین با استفاده از تکنیک های ژنتیکی، یکسری کانال پروتئینی حساس به نور به نام پروتئین " اپسینی " در سیستم عصبی ایجاد شده که با استفاده از ابزارهای فیبر نوری با قابلیت کاشت در مغز حیوان ، نور لیزر به ناحیه مورد نظر مغزی رسانده می شود.

با اعمال پالس های لیزری در طول موج مشخص، کانال های یونی حساس به نور ایجاد شده در سیستم عصبی به نور پاسخ می دهند که در اثر این پاسخ ، یک سری از کانال های یونی باز و یا بسته می شوند.

بنابراین تغییرات غلظت یونی در درون و بیرون سلول عصبی منجر به ایجاد سیگنال عصبی خواهد شد. در گذشته از روش هایی مانند روش الکتروفیزیولوژی استفاده می شد. در این روش از یک الکترود یا به عبارت دیگر از الکترون ها برای ثبت سیگنال های عصبی و یا تحریک آن ها استفاده می شود. ولی در روش اپتوژنتیک از نور یا به عبارت دیگر از فوتون برای ثبت و تحریک سیگنال های عصبی استفاده می کنیم.

به این ترتیب الکتروفیزیولوژی به عنوان یک روش طلایی و اپتوژنتیک به عنوان یک ابزار تکمیلی برای مطالعات علوم اعصاب نام برده می شود. زیرا روش های نوری در مقایسه با روش های الکتریکی و دارویی به دلیل برخورداری از سرعت، دقت بالاتر و آسیب رسانی کمتر، ابزار مناسب تری در مطالعات علوم اعصاب به شمار می روند.

برای اولین بار کریک فرانسیس برای توجیه تئوری عمومی ذهن به این نتیجه رسید که باید به دنبال روشی بود تا به وسیله آن بتوان نورون های موجود از یک نوع را غیر فعال کرد بدون آنکه فعالیت سایر نورون ها تغییر کنند. دستکاری و یا تحریک الکتریکی خارج سلولی نمی تواند ابزار مناسبی باشد چون علی رغم دقت زمانی بالا، با آن نمی توان فقط یک نوع نورون خاص را تحریک کرد و در اثر تحریک، فعالیت طیفی از سلول ها تغییر می باید. به روش فارماکولوژیک و ژنتیکی می توان فعالیت یک نوع سلول خاص را تغییر داد بدون آنکه باقی انواع دیگر سلول ها دستخوش تغییر شوند، اما این روش ها قادر نیستند در یک مقطع زمانی مشخص ارسال سیگنال و فعالیت سلولی را کنترل کنند، به عبارتی فاقد دقت زمانی بالا هستند. بنابراین نیاز به یک تکنولوژی جدید که بتواند دقت زمانی بالایی داشته باشد و فقط یک نوع سلول را بتوان با آن کنترل کرد شدیداً احساس می شد.

تا اینکه تکنیک اپتوژنتیک برای این منظور ابداع گردید. اپتوژنتیک روش مناسبی برای مشاهده تغییرات الکتروفیزیولوژی، کارکردی و رفتاری بعد از تحریک نوری است. واژه اپتوژنتیک توسط دیسروث در سال 2006 به کار گرفته شد. تا سال 2007 این تکنیک بیشتر در محیط برون تن مورد استفاده بود، اما بعد از آن با اختراع واسط های فیبرهای اپتیکی-عصبی تاثیر اپسین های باکتریایی در رفتار حیوانات سالم و در حال حرکت قابل انجام شد. از آن زمان به بعد کاربرد اپتوژنتیک به سرعت برای بررسی مدارهای عصبی، بیماری های مغزی و سیستم های غیرعصبی مانند سلول های بنیادی، بافت قلبی و عضله اسکلتی توسعه یافت.

با توجه به اینکه در این روش هم بحث زیست شناسی و علوم اعصاب و هم حیطه مهندسی مطرح است گروه های فارماکولوژی، علوم اعصاب، زیست شناسی، برق، مکانیک و فیزیک در آن فعال هستند.

در این روش یک سوال مهم این است: آیا روش اپتوژنتیک به صورت مستقیم می تواند بر روی درمان بیماری های انسان مفید باشد؟ پاسخ این پرسش خیر است! زیرا در این روش از تغییرات ژنتیکی استفاده می شود و نمی توان این روش را برای انسان استفاده کرد. هرچند تا کنون آزمایش هایی برای درمان بیماری نارسایی قلبی، نابینایی و ناشنوایی صورت گرفته، اما این روش تا به حال برای کلینیک ها مجوز استفاده کسب نکرده است.

با این روش می توان الگوهای بیماری هایی که در علوم اعصاب و علوم شناختی مطرح است را به دست آورده و بعد از دستیابی به الگوی بیماری درمان آن را پیگیر کرد. در بحث علوم شناختی، این روش تمام علوم شناختی را در بر می گیرد به شرطی که بتوان شبکه های عصبی را با دقت فضایی و زمانی بالایی مورد مطالعه قرار داد. نور در اینجا این امکان را فراهم می سازد که یک شبکه نورونی با دقت بسیار بالا مورد مطالعه قرار گرفته و الگوهایی با دقت بالا از بیماری ها به دست آید.

اپتوژنتیک در ایران :

گروه اپتوژنیتک دانشگاه شهید بهشتی برای اولین بار در ایران این روش را بومی سازی کرده است و از لحاظ ساخت تجهیزات همکاری های بین المللی با کشورهای آلمان، ایتالیا و پرتغال دارد و در حال حاضر دانشگاه هایی چون تربیت مدرس و خواجه نصیر نیز به تازگی شروع به استفاده از این روش کرده اند. پروژه های متعددی در این زمینه در حال حاضر در ایران در حال پایه گذاری و انجام است، به طور مثال در بخش اپتوژنتیک دانشگاه شهید بهشتی پروژه درمان بیماری به صورت مدار بسته انجام می شود. عبارت مدار بسته به این معناست که بتوان اطلاعات عصبی را از یک بیماری دریافت کرده و با پردازش داده هایی که از آن بیماری دریافت کرده و با پردازش داده هایی که از آن بیماری وجود دارد( پاسخ های عصبی) نور را از بهترین زاویه به مغز تابانده و در نتیجه آن شبکه نورونی که درگیر بیماری است کنترل شود. برای مثال از این روش می توان در درمان بیماری هایی چون صرع، اعتیاد و پارکینسون استفاده کرد. این روش اکنون روی حیوانات بررسی می شود که توسعه یک سری ابزارهای جدیدی را می طلبد.

در کنار این فعالیت ها این گروه با همکاری مرکز تحقیقات علوم اعصاب پروژه هایی در بحث علوم اعصاب انجام و بر روی دسته ای از بیماری ها مانند اتیسم کار می نماید. همچنین مطالعات شبکه نورونی در حال انجام است و بحث ایجاد نورون هایی در مغز که بتوانند دوباره خودسازی انجام دهند یا به عبارت دیگر باز تولید در مغز انجام شود دنبال می گردد. این کار می تواند باعث تقویت یادگیری با روش اپتوژنتیک شود. همچنین با تغییرات ژنتیکی، یک سیسم نورونی فعال یا خاموش و با فرمان نوری به آن دوباره فعال می شود. روش اپتوژنتیک در دنیا ابزار بسیار کارآمدی است و مطالعات زیادی رو آن انجام می شود، که نتایج آن می تواند در درمان بیماری های عصبی که تا به حال با روش های دارویی یا الکتروفیزیولوژی محقق نشده بود، به کار گرفته شود. در ایران نیز خوشبختانه گام های بسیار خوبی در حال برداشته شدن است و تلاش های چشمگیری تا کنون انجام گرفته، از طرفی روز به روز به علاقه مندان این فناوری افزوده می شود. این امر نویدبخش آن است که کشورمان بتواند در آینده ای نه چندان دور، در منطقه و حتی دنیا به عنوان یکی از گروه های سرآمد در فناوری اپتوژنتیک بدل گردد.

* منبع : مجله دانش بنیان لیزر و فوتونیک