Cum poate lumina să controleze neuronii și să ajute un pacient nevăzător să distingă obiecte

În contextul Nobelului pentru Medicină 2026, Edupedu.ro explică aceste rezultate și mecanismul care le-a făcut posibile: introducerea în celule nervoase a unor proteine care răspund la lumină. Metoda permite intervenții asupra unor neuroni selectați, cu o precizie temporală de ordinul milisecundelor.

Lumina permite testarea rolului unui circuit neuronal

Înregistrarea semnalelor electrice și imaginile creierului arată ce neuroni sau regiuni sunt active în timpul unei percepții, al unei mișcări ori al unei emoții. Studierea leziunilor și administrarea unor substanțe oferă alte informații despre funcționarea creierului. Asocierea dintre activitate și comportament nu stabilește însă, singură, dacă acei neuroni produc răspunsul observat.

Pentru a testa această relație, cercetătorii aveau nevoie să pornească sau să oprească activitatea unui anumit grup de neuroni, la momentul ales. Metodele existente nu combinau precizia localizării, selectarea celulelor după caracteristicile genetice și viteza necesară intervenției.

Francis Crick descria în 1999, în articolul „The impact of molecular biology on neuroscience”, o metodă care ar activa sau inactiva un tip de neuroni fără modificarea semnificativă a celorlalți. Pentru controlul lor, „semnalul ideal ar fi lumina”, scria el, deși considera greu de imaginat realizarea practică a ideii.

O proteină din algă a făcut celulele nervoase sensibile la lumină

Instrumentele necesare au venit din cercetarea algei verzi unicelulare Chlamydomonas reinhardtii. Aceasta detectează direcția luminii și se deplasează în raport cu ea. Peter Hegemann a studiat răspunsul electric foarte rapid produs de lumină în microorganism.

Georg Nagel și Hegemann au caracterizat channelrhodopsin-1 și channelrhodopsin-2. Aceste proteine, numite channelrhodopsine, reacționează la lumină și funcționează ca niște canale ionice: permit trecerea unor particule încărcate electric prin membrana celulei.

Channelrhodopsin-2 (ChR2) se deschide când este expusă la lumină albastră. Prin canal trec cationi, particule cu sarcină pozitivă. Ei modifică diferența de potențial electric de la nivelul membranei, proces numit depolarizare, care poate declanșa un impuls nervos, numit potențial de acțiune.

Karl Deisseroth, care studia medicina și neuroștiințele, căuta modalități de a înțelege mai precis circuitele cerebrale, pornind de la experiența cu pacienți cu afecțiuni psihiatrice. I-a cerut lui Nagel materialul genetic care codifica proteina și l-a introdus în celule nervoase de șobolan cultivate în laborator.

Neuronii au produs proteina fără probleme aparente. Expunerea lor la lumină a generat curenți electrici care depolarizau membrana, iar momentul activării putea fi controlat la scara la care funcționează neuronii.

Cercetătorii au obținut și oprirea activității neuronale

În 2007, cercetătorii au adaptat halorodopsina din microorganismul Natronomonas pharaonis, denumită NpHR. Sub lumină galbenă, această proteină pompează ioni de clor în neuron. Membrana se hiperpolarizează, o modificare electrică ce suprimă impulsurile nervoase.

Cele două proteine răspund la lungimi de undă diferite. Folosirea lor a permis controlul în ambele direcții în același circuit: activarea neuronilor cu lumină albastră și inhibarea lor cu lumină galbenă. Astfel, un experiment putea verifica atât dacă stimularea produce un comportament, cât și dacă oprirea circuitului îl modifică sau îl face să dispară.

Tot în 2007, Deisseroth și colegii săi au demonstrat controlul mișcării mustăților unor șoareci treji. Au dezvoltat un sistem cu diode laser și fibre optice, capabil să ducă lumina în regiuni precise ale creierului unui animal viu.

Echipa a introdus ChR2 în neuronii excitatori din stratul 5 al cortexului motor care controlează vibrizele, adică mustățile rozătoarelor. Când lumina a fost transmisă prin fibra optică, mustățile s-au mișcat.

Traseul dintre neuroni schimbă efectul asupra anxietății

Edupedu.ro pornește explicația despre anxietate de la formulările uzuale: „amigdala este implicată în frică […] această regiune este implicată în anxietate”. Experimentele au arătat însă că efectul depinde de conexiunile dintre neuroni, inclusiv de locul în care ajung prelungirile lor, numite proiecții.

Activarea proiecțiilor din amigdala bazolaterală către amigdala centrală a redus puternic comportamentele asociate anxietății. Stimularea unei alte căi, care pleca din aceeași regiune și ajungea în hipocampul ventral, a produs rapid efectul opus: intensificarea comportamentelor de tip anxios.

Schimbarea întrebării de cercetare este formulată de Edupedu.ro astfel: „ce regiune este implicată în anxietate? […] ce neuroni, conectați cu ce alți neuroni și prin ce circuit?”. Stările emoționale complexe rezultă din activitatea unor circuite distincte, nu doar din funcționarea izolată a unei regiuni.

Și neuronii dopaminergici, care folosesc dopamina pentru transmiterea semnalelor, pot avea funcții diferite deși se află amestecați în aceeași zonă. În aria tegmentală ventrală, conexiunile care vin din tegmentul laterodorsal sunt asociate cu recompensa, iar cele provenite din habenula laterală, cu aversiunea. Traseul conexiunilor diferențiază aceste populații neuronale.

Reactivarea unor neuroni a readus frica la șoareci

În laboratorul lui Susumu Tonegawa, cercetătorii au urmărit neuronii implicați în formarea unei amintiri. Șoarecii au fost supuși condiționării contextuale a fricii, un experiment în care animalele ajung să asocieze un anumit mediu cu frica.

ChR2 a fost produsă numai în neuronii din girusul dentat al hipocampului care erau activi în timpul experienței. După mutarea șoarecilor într-un mediu neutru, cercetătorii au stimulat cu lumină celulele marcate. Răspunsul de frică a reapărut, arătând că activarea acelui grup de neuroni era suficientă pentru declanșarea reamintirii.

Într-un alt experiment, au fost marcați neuronii activi când animalele explorau un loc sigur. Ulterior, aceleași celule au fost reactivate cu lumină în timp ce șoarecii erau supuși condiționării fricii într-un alt mediu.

La întoarcerea în locul sigur, unde nu avusese loc experiența negativă, animalele au manifestat totuși imobilizarea asociată fricii. Cercetătorii modificaseră astfel conținutul memoriei prin intervenția asupra unei engrame, adică ansamblul de celule în care este codificată o amintire.

Aceste rezultate provin din experimente pe animale. Ele nu demonstrează că amintirile oamenilor pot fi activate, șterse sau rescrise în prezent cu lumină.

Stimularea unor neuroni a crescut probabilitatea trezirii

Deisseroth și Luis de Lecea au folosit metoda pentru a verifica rolul neuronilor din hipotalamusul lateral care produc orexină, numită și hipocretină. Legătura lor cu menținerea stării de veghe era cunoscută; experimentul a testat dacă activitatea acestor celule provoacă trezirea.

Cercetătorii au făcut ca neuronii respectivi să producă ChR2 și i-au stimulat printr-o fibră optică. Probabilitatea trecerii la starea de veghe a crescut atât în somnul cu unde lente, cât și în somnul REM. Intervalul până la trezire depindea de frecvența stimulării.

Experimentul a oferit una dintre primele demonstrații ale unei legături cauzale directe între activitatea unei populații neuronale precis definite și comportamentul unui mamifer.

Componentele comportamentului parental au circuite distincte

Cercetările asupra neuronilor care produc galanină din aria preoptică medială au separat acțiuni care, privite din exterior, alcătuiesc comportamentul parental. Subpopulațiile de neuroni, diferențiate prin destinația proiecțiilor, controlau componente distincte:

• Interacțiunile motorii cu puii.
• Motivația de a căuta puii.
• Interacțiunea socială cu alți adulți.

O separare asemănătoare apare în controlul mișcării. Populații neuronale care ocupă aceeași regiune și se suprapun spațial pot aparține unor circuite diferite, cu roluri distincte:

• Controlul vitezei deplasării.
• Controlul extensiei corpului.
• Controlul mișcărilor fine ale membrelor anterioare.