Annons

Bild: 
Getty images

Fjärrkontroll får mössen att klicka

Individer med nervceller som svänger i takt dras till varandra. De vill umgås. Den slutsatsen drar forskarna bakom ett banbrytande sätt att fjärrstyra hjärnor med radiosändare.

Annons

Publicerad:

2021-12-02

I den ena änden av tjurfäktningsarenan står hjärnforskaren José Delgado med ett rött skynke i den ena handen och en radiosändare i den andra. Ett tiotal meter bort frustar en ilsken tjur. Solen står högt på himlen. De två gestalterna kastar minimala skuggor i sanden. Plötsligt sänker tjuren hornen, tar sats och går till anfall.

I sista stund trycker José Delgado på en knapp. Hans radiosändare skickar en signal till elektroder inopererade i djurets hjärna. Den framrusande tjuren tvärstannar.

Det våghalsiga experimentet ägde rum i Córdoba, Spanien, år 1963. Tidningen New York Times beskrev händelsen i en förstasidesartikel som ”den mest spektakulära demonstrationen någonsin när det gäller att avsiktligt modifiera ett djurs beteende genom yttre kontroll av dess hjärna.”

Det experiment som neurofysiologen José Delgado genomförde år 1963 räknas som ett av hjärnforskningens mest spektakulär

Bild: 
José Delgado

Inramningen var onekligen spektakulär, men tekniken primitiv. Grova metallelektroder påverkade urskillningslöst elektriskt aktiva celler av skilda slag inom stora delar av tjurens hjärna.

Genombrott med optogenetiken

Sedan dess har forskare fått betydligt mer raffinerade metoder för att fjärrstyra hjärnor. Ett stort genombrott kom i mitten av 00-talet med den så kallade optogenetiken. Den går ut på att gentekniskt förändra specifika nervceller så att de blir känsliga för ljus.

Via en tunn fiberoptisk kabel genom ett hål in i skallen ledde den amerikanske psykiatrikern och neuroforskaren Karl Deisseroth och hans medarbetare in ljus i hjärnan på möss. Med ljus av olika våglängder kunde de slå av och på utvalda nervceller inom tusendelar av en sekund utan att störa andra celler. Eftersom själva hjärnan helt saknar känsel är det osannolikt att kabeln orsakar någon smärta.

Hjärnforskare runt om i världen har använt optogenetik till att spåra hur specifika typer av nervceller hos försöksdjur hänger samman med beteenden kopplade till bland annat rädsla, törst, risktagande och kokainberoende. Och utanför hjärnforskarnas värld har tekniken visat hur mängder av olika celltyper runt om i kroppen fungerar och samverkar. Med den sortens kunskap blir det lättare att hitta nya läkemedel och andra behandlingar mot olika sjukdomar.

Optogenetik blev årets metod

År 2010 var entusiasmen så stor att den vetenskapliga tidskriften Nature Methods utsåg optogenetiken till ”Årets metod” alla kategorier. Tidskriften Science klämde i med titeln ”Årtiondets genombrott” och Karl Deisseroths namn återkommer ständigt i spekulationerna om ett framtida Nobelpris i fysiologi eller medicin.

Men själva kabeln har hela tiden varit en begränsning. Det går alldeles utmärkt att använda optogenetik till att studera celler inuti huvudet på enskilda levande försöksdjur. Däremot är det svårt att använda metoden på flera individer samtidigt i sociala situationer. Problemet är att möss eller andra djur med en fiberkabel inpluggad i skallen lätt trasslar ihop sig, vilket såklart stör det normala umgänget.

Nu är det problemet löst.

Fjärrstyr djuren trådlöst

Yevgenia Kozorovitskiy, professor i molekylärbiologi vid Northwestern university i USA, leder en forskargrupp som har utvecklat ett nytt sätt att fjärrstyra djur trådlöst. Tekniken är anpassad för möss – och betydligt mer avancerad än den som hjärnforskaren José Delgado använde på sin tid för att hejda en framrusande tjur.

Utrustningen är bara en halv millimeter tjock. Den består av en radiomottagare kombinerad med en optogenetisk ljuskälla. Alltihop opereras fast under pälsen på musens huvud. Två pyttesmå pinnar genom skallbenet belyser hjärnvävnaden med LED-lampor när systemet slås på, vilket i sin tur påverkar hjärnceller som blivit genändrade för att reagera på ljus.

– Mössen kan röra sig helt fritt och naturligt, säger Yevgenia Kozorovitskiy.

Men deras beteende går alltså att fjärrstyra. En videofilm från ett inledande experiment visar två svarta möss i en bur. De sitter i var sitt hörn och gräver med framtassarna i bottenströ av sågspån.

En knapptryckning på en dator sänder ut radiovågor som via den inopererade optogenetiken aktiverar celler i den främre delen av pannloberna hos båda mössen. Plötsligt springer de mot varandra. De sniffar och skuttar tätt tillsammans. Ingenting verkar vara mer angeläget för mössen än att få vara i varandras omedelbara närhet. Ett socialt band har uppstått.

– Vi vågade inte riktigt tro att det skulle fungera, men det gjorde det, säger Yevgenia Kozorovitskiy.

När forskarna ändrar inställningarna så att de stimulerade cellerna i mössens hjärnor svänger i olika takt så återgår de till att pyssla i var sin hörna. Bandet är brutet.

Forskarna testade också att radiostyra tre möss samtidigt. De valde ut två av mössen och synkroniserade aktiviteten i några av deras nervceller. Paret drogs till varandra, medan den tredje hamnade utanför gemenskapen.

Inspirationen till experimenten kommer från forskning om aktiviteten i olika delar av hjärnan hos individer i sociala situationer. Det är ett relativt nytt forskningsfält. Hjärnforskare är vana att fokusera på ett huvud åt gången.

– Men sociala interaktioner existerar inte i en enskild person, säger Riitta Hari, professor emerita i neurovetenskap vid Aalto-universitetet i Finland och en av pionjärerna när det gäller forskning om vad som pågår i två hjärnor samtidigt.

Följa det sociala samspelets neurobiologi

Riitta Hari studerar människor, bland annat i en så kallad fMRI-kamera där två personer kan ligga samtidigt ansikte mot ansikte och växelvis beröra varandras läppar. Syftet är att följa skiftningarna i det sociala samspelets neurobiologi.

Vi människor är utpräglat sociala djur. Bland det viktigaste som finns i vår värld är andra människor. För att klara oss behöver vi varandra, och en stor del av vårt mentala liv handlar om relationer. Analyser av fritt flödande samtal tyder på att ungefär två tredjedelar av allt vårt prat gäller sociala ämnen – i huvudsak skvaller, enligt den brittiske antropologen Robin Dunbar.

Människans sociala natur märks även genom att vi automatiskt härmar varandras hållning, gester och blickar. Och när vi skrattar tillsammans blir inte bara våra rörelser och läten likartade. Beteendet frigör samtidigt också en liten dos av kroppsegna opiater hos var och en, vilket stärker känslan av lust och gemenskap.

Forskningen om synkroniserad aktivitet i samverkande hjärnor har en brokig historia. Några av de tidiga försöken var minst sagt flummiga. År 1965 beskrev amerikanska forskare som hade undersökt femton par enäggstvillingar något de kallade ”extrasensorisk induktion”.

Tvillingarna fick sitta i var sitt rum med mätelektroder på huvudet och blinka när de blev tillsagda. Hos två av paren uppstod ett snarlikt mönster av hjärnvågor i båda tvillingarnas huvud när en av dem blinkade, enligt en rapport i tidskriften Science. Forskarna ansåg att det var ett tecken på utomsinnlig kommunikation. Men experimenten uppfyller knappast dagens krav på vetenskaplig metodik.

Hjärnaktiviteten synkroniseras automatiskt

Sedan dess har noggrann forskning visat att två personer ofta och helt automatiskt synkroniserar sin hjärnaktivitet när de gör saker tillsammans. Det gäller allt från att spela datorspel till att imitera varandras handrörelser. Och det kräver ingen mystisk tankeöverföring.

– Ett vanligt samtal som vi har nu är ett invecklat socialt samspel. För att förstå den bakomliggande neurobiologin så måste man studera flera hjärnor samtidigt, säger Riitta Hari.

Hon påpekar att gliporna mellan vem som talar och vem som lyssnar bara sträcker sig över bråkdelar av en sekund, och att sociala situationer kan leda till ett flöde av signaler mellan två personer utan att någon av dem riktigt vet vem som leder och vem som följer. Det löser sig intuitivt. De inblandade hjärnorna verkar vara samspelta på ett sätt som minimerar oartiga avbrytningar och pinsamma tystnader. Så det är knappast förvånande att hjärnaktiviteten samtidigt blir synkroniserad.

Något liknande verkar hända när djur umgås med varandra. För ett par år sedan mätte forskare vid Berkeley university i USA den elektriska aktiviteten i hjärnan hos fladdermöss som vistades tillsammans i en bur. Mätutrustningen var trådlös. Fladdermössen fick flyga omkring och fritt ägna sig åt sina vanliga sociala sysslor som att rengöra varandras päls, para sig och slåss. Det visade sig att ju mer sociala beteenden två fladdermöss delar med varandra, desto mer synkroniserad blir hjärnaktiviteten i deras huvuden.

Mössens hjärnor synkroniseras

Andra forskare har undersökt möss. De kom fram till att mössens sociala umgänge är kopplat till synkroniserad aktivitet i den främre delen av pannlobernas hjärnbark. Somliga nervceller där verkade vara kopplade både till det egna beteendet och till vad en annan mus har för sig. Dessa celler gör så att aktiviteten i båda hjärnorna blir synkroniserad, enligt forskarna.

Resultaten blev en inspirationskälla för Yevgenia Kozorovitskiy och hennes medarbetare när de för första gången skulle testa att fjärrstyra möss med optogenetik. Länge har forskningen om synkroniserad hjärnaktivitet bara handlat om samband. Snarlika mönster av aktivitet uppstår i huvudet på två människor, möss eller fladdermöss som gör något tillsammans. Men vad är hönan och vad är ägget? Är synkronisering en följd av ett nära umgänge, eller är synkronisering tvärtom en orsak? Räcker det rent av att synkronisera aktiviteten i två hjärnor för att de ska dras till varandra?

– Vår studie ger ett första stöd för att det räcker, säger Yevgenia Kozorovitskiy.

Radiostyrd optogenetik

Tidigare forskning har enbart handlat om att mäta hjärnaktiviteten, att avläsa vad som pågår i olika huvuden. Med den radiostyrda optogenetiken blev det för första gången möjligt att styra hjärnorna i realtid hos fritt rörliga individer.

– Rent tekniskt är det verkligen imponerande, säger Ole Kiehn, professor i neurovetenskap på Karolinska institutet i Solna.

Han ingår inte i forskargruppen bakom den trådlösa tekniken, men har lång erfarenhet av traditionell optogenetik via fiberkabel för att studera hur försöksdjur beter sig.

Den vidareutvecklade metoden ger plats för nya idéer om vad optogenetik kan användas till. Yevgenia Kozorovitskiy har flera stycken. Som ung doktorand studerade hon hackordningen i grupper av råttor. Nu planerar hon att återuppta den forskningen och försöka använda radiovågor till att förändra hierarkier.

– Man kanske kan påverka vem som har vilken roll i gruppen, säger hon.

Styra åkersorkar till att bli monogama

En annan idé är att testa tekniken på olika gnagare av släktet åkersorkar – två arter som till det yttre liknar varandra men har helt olika livsstil. Microtus ochrogaster lever i långvariga parförhållanden. Microtus montanus, däremot, parar sig med många olika individer av motsatt kön. Men om individer som tillhör den promiskuösa arten behandlas med hormonerna oxytocin och vasopressin blir de monogama. Nu planerar Yevgenia Kozorovitskiy och hennes medarbetare att försöka påverka tendensen till ”otrohet” direkt med sin fjärrkontroll.

Hon understryker att steget från djur till människor ofta är stort. Ingen tror att enkla elektriska svängningar hos ett fåtal celler i huvudet helt kan förklara invecklade relationer. Samtidigt har vi förstås en del gemensamt med andra sociala däggdjur.

José Delgados grymma experiment på tjurfäktningsarenan i Córdoba må ha varit spektakulärt. Men vetenskapligt har det inte lett till några djupare insikter, bara att en framrusande tjur stannar om den får en elchock i huvudet.

Den nya tekniken för att radiostyra hjärnor med optogenetik har bättre förutsättningar att sprida ett förklarande sken över saker som verkligen betyder något för oss sociala varelser. Det kan gälla hörnstenar i tillvaron som parförhållanden, vänskap och vem eller vilka som har makten i en grupp.

Spruta öppnar för ljus

Klicka för att ladda ner infografiken som PDF.

Bild: 
Johan Jarnestad

Gen från mikrob lyser upp biologin

Bild: 
Dartmouth Electron Microscope Facility / Dartmouth College

Nobelpristagaren Francis Crick, en av dna-spiralens upptäckare, presenterade en smart idé år 1999: Tänk om det vore möjligt att genförändra olika typer av nervceller i hjärnan på levande försöksdjur så att cellerna kan styras med ljus. Det skulle ge helt nya möjligheter att ta reda på hur hjärnan löser olika uppgifter.

Vägen från vision till verklighet gick via nördig grundforskning utan sikte på praktiska tillämpningar. Chlamydomonas reinhardtii är en encellig alg som trivs i sötvatten. För nästan tjugo år sedan upptäckte forskare i Tyskland att dess hölje innehåller ett protein (en jonkanal) som reagerar på ljus.

Med hjälp av genteknik går det att föra in proteinet i helt andra celler, till exempel nervceller. Om man belyser en sådan genförändrad cell så förändras dess elektriska egenskaper. Det blir alltså möjligt att styra cellen med ljus. Detta är basen för den så kallade optogenetiken.

Blind man fick tillbaka delar av synen

Läkare har för första gången lyckats lindra en sjukdom genom att utrusta en människa med gener från ljuskänsliga mikroorganismer.

En 58-årig man i Frankrike drabbades redan som tonåring av retinitis pigmentosa. Sjukdomen bröt ner de ljuskänsliga cellerna i ögat, näthinnans tappar och stavar. Till slut kunde han bara nätt och jämnt skilja ljus från mörker.

Forskarna gav honom en spruta i ena ögat, vilket återställde delar av synen. Behandlingen är det första exemplet på att en mänsklig sjukdom kunnat lindras med så kallad optogenetik. Efteråt var det fortfarande omöjligt för mannen att känna igen ansikten. Men för första gången på många år kunde han se de vita strecken på ett övergångsställe. I laboratorieförsök lyckades han också lokalisera och känna igen föremål framför sig på ett bord, bland annat ett anteckningsblock och en liten ask med häftklamrar.

Se infografiken ”Spruta öppnar för ljus”.

Fjärrkontroll styr hjärnan

Ett av hjärnforskningens största genombrott på senare år är möjligheten att styra nervceller med hjälp av lju

2018-02-08

Optogenetik vässar uppmärksamheten

KI-forskaren Marie Carlén.

Genom att manipulera enskilda hjärnceller med ljus har forskare vid Karolinska institutet kunnat styra uppmärksamhets

2016-01-29

Forskning & Framsteg berättar om fackgranskade forskningsresultat och om pågående forskning. Våra texter ska vara balanserade och trovärdiga, och sätta forskningsresultaten i sitt sammanhang för att göra dem begripliga. Forskning & Framsteg har rapporterat om vetenskap sedan 1966.

Lägg till kommentar