Johan Nilsson: Forskarnas upptäckter kan få betydelse för parkinson och depression

Med blått ljus går det att väcka sovande nervceller, sätta igång muskler och spåra de processer som ligger bakom minnen. Den teknik som gör detta möjligt kallas optogenetik, och den har under de senaste två decennierna förändrat neurovetenskapen. I stället för att enbart observera hjärnan kan forskare nu experimentera med enskilda cellgrupper i levande djur. Det har gett svar på gamla frågor om allt från sömn till beroende.

Metoden bygger på ett ljuskänsligt protein som heter channelrhodopsin-2. Det upptäcktes i början av 1990-talet av Peter Hegemann i den encelliga grönalgen Chlamydomonas. Algen har en liten ögonfläck som gör att den kan känna av ljus och simma mot det när ljuset är lagom starkt. Det ljuskänsliga proteinet fungerar som en jonkanal i cellmembranet. När ljuset träffar proteinet öppnas kanalen och joner strömmar in i cellen.

Georg Nagel identifierade genen bakom proteinet. Karl Deisseroth, psykiater och forskare, tog sedan genen ett steg längre. Han förde in den i nervceller som odlades i en skål. När cellerna belystes med blått ljus svarade de omedelbart – en nervsignal bildades och överfördes vidare till andra nervceller. År 2007 lyckades Deisseroth göra samma sak i en levande hjärna. Genom att aktivera nervceller i möss kunde han styra rörelserna i deras morrhår.

Den stora styrkan med optogenetik är precisionen. Läkemedel påverkar ofta hela hjärnan, och elektroder stimulerar en relativt stor vävnadsmängd. Med optogenetik kan forskare däremot rikta sig mot en specifik typ av nervceller. Genen för det ljuskänsliga proteinet förs in med hjälp av ett virus, som byggts om så att det bara infekterar utvalda celler. Cellerna börjar sedan tillverka proteinet på egen hand. När ljuset tänds kan forskarna styra aktiviteten i just den cellgruppen, ofta med millisekunders precision.

Den precisionen har gjort att tekniken gett svar på grundläggande frågor. Ett exempel är sömn och vakenhet. Forskare har länge misstänkt att nervceller i hypotalamus, en liten men central del av hjärnan, styr vakenhet. Med optogenetik kunde de testa hypotesen direkt. De förde in ljuskänsliga jonkanaler i cellerna, lyste på dem – och djuren vaknade. Det var en direkt bekräftelse på att just de cellerna är ansvariga.

Metoden har också lärt forskarna mycket om sjukdomsmekanismer. Enligt Sten Linnarsson, professor vid Karolinska Institutet och vice ordförande i Nobelkommittén, har optogenetiken bland annat bidragit till kunskapen om hur minnen formas i hjärnan. Den kunskapen är central för att förstå demens och andra tillstånd där minnet sviktar. Linnarsson lyfter fram att tekniken kan få stor betydelse för forskningen om bland annat parkinson, missbruk, depression, schizofreni, autism och ångest. Forskningen görs i första hand på möss, men mushjärnan är i många avseenden uppbyggd på samma sätt som den mänskliga.

Optogenetik är i dag ett forskningsverktyg, inte en färdig behandling för patienter. Men genom att identifiera exakt vilka cellgrupper och kretsar som ligger bakom olika symtom kan den öka chansen att utveckla mer träffsäkra terapier. Fältet har också vuxit kommersiellt. Företag som utvecklar virusvektorer, ljusutrustning och genetiskt modifierade djurmodeller har blivit en del av den neurovetenskapliga forskningsinfrastrukturen. Samtidigt fortsätter grundforskningen att hitta nya ljuskänsliga proteiner med olika egenskaper.

Att en encellig alg kan vara nyckeln till att förstå mänskliga hjärnsjukdomar är en påminnelse om att vetenskapliga genombrott ofta kommer från oväntat håll. Det som började som studier av hur alger rör sig mot ljus har utvecklats till en metod som nu används i laboratorier världen över – och som fortfarande har potential att förändra synen på hjärnan.