Zdalnie sterowane muszki owocówki

Używamy pilotów do wideo i TV, a gdyby tak stworzyć pilota do... żywego organizmu? Prototyp takiego urządzenia, za pomocą którego można z daleka władać zachowaniem muszki owocówki, powstał właśnie na Uniwersytecie Yale.

Już wcześniej naukowcy próbowali zdalnie manipulować zwierzęcym zachowaniem. Najczęściej sprowadzało się to do wszczepiania elektrod w mózgi laboratoryjnych szczurów. Ale w małej muszce raczej trudno byłoby zmieścić elektroniczny chip. W opisanym w najnowszym "Cell" eksperymencie naukowcy z Yale obeszli się bez tak inwazyjnych metod. Muszki owocówki dosłownie "zatańczyły tak, jak im zagrano" dzięki genetycznej modyfikacji systemu nerwowego.

Klucz do kanału

Informacje w układzie nerwowym - zarówno muszki, jak i człowieka - są przesyłane w postaci impulsów elektrycznych biegnących nerwami. Gdy taki impuls przechodzi po neuronie, powoduje falę depolaryzacji na powierzchni jego błony komórkowej. Taka elektryczna fala może posuwać się naprzód dzięki zbudowanym z białek kanałom - mikroskopijnym dziurkom w tejże błonie, którymi mogą przemieszczać się elektrycznie naładowane jony. Gdy neuron zostanie pobudzony, kanały otwierają się, a określone jony mogą doń wpływać bądź z niego wypływać. To z kolei powoduje dalszą depolaryzację, otwiera kolejne kanały i impuls w końcu może dojść do następnej komórki. Słowem, wygląda to jak meksykańska fala na widowni stadionu.

Naukowcy zamierzali sprawić, żeby sygnał sterujący działał na te właśnie kanały, od których zależy sukces w rozchodzeniu się informacji w układzie nerwowym. Aby kanał się otworzył, musi się do niego podłączyć cząsteczka ATP - taki uniwersalny dawca energii koniecznej do przeprowadzania najróżniejszych procesów komórkowych. Żeby więc przewodzenie w neuronach zachodziło na żądanie, trzeba było znaleźć sposób na kontrolowanie ATP - klucza otwierającego kanały.

Prowadzący badanie Garo Miesenboeck i jego była studentka Susana Lima wpadli na pomysł, by "uwięzić" ATP w chemicznej klatce, którą można usunąć w stosownym momencie laserowym światłem. Tak zmodyfikowane ATP byłoby wstrzykiwane do organizmu muszek.

Tańcz, głupia, tańcz

Jak jednak poznać, czy eksperyment się udał, a więc muszki ruszają się według naszej woli? W tym celu prof. Miesenboeck wybrał specjalną grupę neuronów, w których (dzięki modyfikacji genów) wytworzył kanały jonowe reagujące na wstrzyknięte muszkom ATP. Jego wybór padł na komórki wielkich włókien - nerwów kontrolujących reakcję ucieczki, która objawia się np. skakaniem i dramatycznym trzepotem skrzydeł. Takie ruchy łatwo odróżnić od normalnego zachowania muszek. Jeśli więc owady wpadną w panikę po naświetleniu laserem, to będzie świadczyło o poprawnym działaniu zdalnego pilota.

Naukowcy mogli zatem przejść od pomysłu do przedstawienia z muszkami w roli głównej. Zmienionym genetycznie owadom wstrzyknięto światłoczułe ATP, a następnie oświetlano je ultrafioletowym światłem. Umieszczone pod szklanymi kloszami muszki zareagowały zgodnie z przewidywaniami. Większość z nich po włączeniu lasera wpadła w popłoch, zaczęła chaotycznie biegać i machać skrzydełkami. Co ciekawe, różne częstotliwości nadawania świetlnych rozkazów wywoływały różne zachowania, muszki biegały szybciej lub wolniej albo zmieniały kierunek lotu.

Gdy okazało się, że system nadawczo-odbiorczy jest skuteczny, zastosowano go również wobec innych komórek nerwowych, tzw. neuronów dopaminergicznych (wydzielających neuroprzekaźnik dopaminę). W tym przypadku naświetlenie powodowało, że muszki zaczynały latać z zawrotną szybkością.

Efekt trwał od 30 sekund do kilku minut, jeśli pobudzenie trafiło na neuronalną pętlę. - Takie nerwowe sprzężenia są jak wahadło - tłumaczy Miesenboeck. - Wystarczy je wprawić w ruch, a pracują dłuższy czas. Dzięki tego typu mechanizmom układ nerwowy oszczędza sporo energii.

Pilot działał nawet na muszki... pozbawione głów. - To dowodzi, że nie zawładnęliśmy umysłami owadów, lecz jedynie ich reakcjami - wyjaśnia Miesenboeck.

Od muszki do Parkinsona

Oczywiście nasuwa się pytanie, po co to wszystko? Czy zdalnie sterowane owady są czymś więcej niż tylko makabryczną zabawką? "To wielki krok naprzód w dziedzinie neurobiologii, wreszcie udało nam się przejść z poziomu biernych obserwacji na wyższy poziom prawdziwie aktywnego działania i manipulacji" - entuzjastycznie piszą autorzy eksperymentu. Dodają, że dzięki dalszym badaniom będzie można stworzyć mapę pokazującą, które neurony rządzą danymi ruchami czy zachowaniami.

- To wstęp do badań nad "cielesnymi" podstawami procesów uczenia, zapamiętywania czy abstrakcyjnego myślenia - wyjaśnia Lima. W przyszłości - przewidują uczeni - podobne systemy sterowania mogłyby pomóc ludziom, u których doszło do zaburzeń przewodzenia impulsów nerwowych, np. wskutek przerwania rdzenia kręgowego w wypadku. Z kolei u chorych na parkinsona można byłoby sztucznie pobudzić komórki nerwowe do produkcji dopaminy (niedostatek tej substancji powoduje charakterystyczne dla choroby drżenie kończyn).

- Ale wszelkie zastosowania to kwestia dalekiej przyszłości - podkreślają autorzy. Nie marzą na szczęście o hodowli zdalnie sterowanych zwierząt. Dziś możemy więc spokojnie wziąć w ręce pilota i użyć go w jedyny rozsądny sposób - by wyłączyć telewizor i iść na spacer z prawdziwym, samosterującym się psem.

Autor: Małgorzata Minta
Źródło: gazeta.pl