Optogenetics: Một hệ thống thực tế ảo để kiểm soát các tế bào sống

Bộ não của chúng ta giao tiếp bằng tín hiệu điện và hóa học, nhưng các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng kích thích ánh sáng có thể nắm giữ các chìa khóa tiềm năng để điều khiển các đường dẫn truyền thông thần kinh ảnh hưởng đến điều khiển động cơ, nhận thức cảm giác, trí nhớ, sản xuất hóa chất thần kinh và tâm trạng – hoặc thực tế ảo của tế bào, như một báo cáo từ Tạp chí Sinh học tế bào mô tả nó.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Optogenetics: Một hệ thống thực tế ảo để kiểm soát các tế bào sống

Với việc triển khai Sáng kiến BRAIN trị giá 300 triệu đô la của Nhà Trắng vào năm 2013, mối quan tâm đến việc khám phá những bí mật của bộ não con người đã tăng lên và hiện bao gồm nhiều cơ quan chính phủ, quan hệ đối tác công/tư và các trường đại học.

Có niên đại ít nhất từ năm 1971, nghiên cứu quang di truyền đã đủ trưởng thành để thu hút sự chú ý của các tổ chức như NIH, DARPA và IARPA, những tổ chức đang khám phá vai trò mà các tế bào nhạy cảm với ánh sáng có thể sớm đóng vai trò trong các lĩnh vực xung quanh sinh học thần kinh, bao gồm cả sức khỏe thể chất và tinh thần , giao tiếp giữa người và máy và nâng cao trí tuệ nhân tạo thông qua kỹ thuật đảo ngược não bộ.

Các thí nghiệm optogenetic hiện tại dựa vào việc chiết xuất “opsins” (protein nhạy cảm với ánh sáng) từ thực vật có thể được đưa vào động vật có vú bằng các phương pháp bao gồm tiêm và lây nhiễm qua adenovirus.

Đọc thêm:  Ryzen 5 3600 + RTX 3080: Combo sát thủ hay không?

Sau khi được đưa vào một sinh vật, opsin có thể được biểu hiện trong các tế bào mắt, não hoặc da, cho phép kích hoạt hoặc tắt tiếng độ nhạy sáng của chúng từ xa bằng các xung ánh sáng được hẹn giờ ở các bước sóng màu khác nhau trên quang phổ ánh sáng có thể nhắm mục tiêu vào nhiều hệ thống cơ thể và gây ra nhiều tác dụng sinh học khác nhau.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Optogenetics: Một hệ thống thực tế ảo để kiểm soát các tế bào sống

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã gợi ý rằng việc đưa opsin vào một sinh vật có thể không phải là một yêu cầu lâu dài vì các phương pháp được tìm kiếm để sử dụng quang di truyền trên các tế bào động vật có vú phản ứng tự nhiên với ánh sáng, chẳng hạn như ở võng mạc của con người.

Là một phần của Sáng kiến BRAIN, các nhà khoa học đã nghiên cứu mã vạch tế bào thần kinh và hoàn thành bản đồ não trực tuyến chi tiết cho các nhà nghiên cứu. Điều này hy vọng cuối cùng sẽ cung cấp một sơ đồ mạch chi tiết của mọi nơ-ron và khớp thần kinh trong não, sơ đồ này sẽ cho phép xác định các kiểu nơ-ron khác nhau để chúng có thể được kích hoạt cho hiệu quả mong muốn.

Nếu được nhắm mục tiêu đủ chính xác với ánh sáng thích hợp, người ta cho rằng quang di truyền học có thể được sử dụng bằng cách điều khiển các mạch thần kinh liên quan đến đau đớn, sợ hãi, phần thưởng, sự tỉnh táo và các hành vi xã hội. Ví dụ, trong một nghiên cứu của Yale, những con chuột bị nhiễm một loại vi-rút khiến tế bào thần kinh của chúng nhạy cảm với ánh sáng xanh. Sau đó, các nhà khoa học đã sử dụng con đường ánh sáng đó để kích hoạt hành vi săn mồi.

Đọc thêm:  Sống Không Cần Cáp: Kinh Nghiệm Cắt Dây

“…Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một sợi quang nhỏ để chiếu tia laser xanh vào hạch hạnh nhân. Điều này khiến các con vật căng cơ hàm và cổ của chúng… ‘Đó không chỉ là sinh lý, mà còn là săn, cắn, giải phóng và ăn. Những thứ đó là các chuỗi vận động đòi hỏi rất nhiều thông tin…’ [nhà thần kinh học MIT nói]”

Vào năm 2015, optogenetics đã được kết hợp với CRISPR để phát triển một bộ công cụ có thể quang hóa cho phép chỉnh sửa bộ gen của sinh vật thông qua việc sử dụng ánh sáng bên ngoài. Các công cụ nói trên có thể kiểm soát vị trí, thời gian và khả năng đảo ngược của quá trình chỉnh sửa bộ gen, cho dù đó là kích hoạt, ức chế hoặc sửa đổi gen.

Quang di truyền cũng được đề cập đến như một tính năng không thể thiếu của chương trình Thiết kế Hệ thống Kỹ thuật Thần kinh (NESD) do DARPA tài trợ, một nỗ lực chung giữa sáu nhóm nhằm mục đích tạo ra một giao diện thần kinh có thể cấy ghép trong bốn năm tới có khả năng xử lý não bộ với độ phân giải cao. giao tiếp giữa các máy. Ví dụ, những tiến bộ như vậy có thể tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của các bộ phận giả được điều khiển bằng tâm trí có cảm giác chạm như cánh tay ‘Luke’ do DARPA hỗ trợ (trước đây gọi là cánh tay ‘Deka’).

Đọc thêm:  World Wide Web bước sang tuổi 30: Dòng thời gian

Trước đây, DARPA đã xem xét các kỹ thuật thao tác bộ nhớ quang di truyền để điều trị cho các cựu chiến binh bị chấn thương sọ não và/hoặc PTSD thông qua phục hồi hoặc xóa trí nhớ.

Gần đây hơn, trong một hội nghị về sức khỏe tâm thần vào tháng 11 năm 2017 với 30.000 người tham dự ở Washington DC, optogenetics đã được ghi nhận về tác động của nó đối với khả năng nghiên cứu não bộ. Theo phóng viên khoa học NPR Jon Hamilton, công nghệ này đã cho phép tái tạo các khía cạnh rối loạn sức khỏe tâm thần của con người ở động vật, hỗ trợ lập bản đồ các mạch thần kinh liên quan đến các vấn đề như trầm cảm.

Các công ty quan tâm đến việc ứng dụng công nghệ optogenetic đã bắt đầu nổi lên trong thập kỷ qua, đặc biệt là kể từ khi FDA chấp thuận công nghệ này vào năm 2015 để sử dụng trong điều trị chứng rối loạn mắt được gọi là “viêm võng mạc sắc tố”.

Sự chấp thuận đã thúc đẩy một thử nghiệm lâm sàng và sự phát triển quang học đã được sử dụng để khôi phục thị lực một phần ở những bệnh nhân được mô tả là “mù hoàn toàn”. Kiểm soát cơn đau mãn tính, chứng động kinh và bệnh Parkinson là một trong nhiều vấn đề sức khỏe mà các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm giải quyết thông qua quang di truyền học.

Đọc thêm:  Đã thử nghiệm Battlefield V DLSS: Hứa quá mức, phân phối dưới mức

Công nghệ này cũng góp phần vào các lĩnh vực nghiên cứu khác như “sonogenetics”, sử dụng sóng siêu âm áp suất thấp để kích hoạt các tế bào thần kinh nhạy cảm với sóng siêu âm. Đây là một lĩnh vực quan tâm khác của DARPA, tổ chức đã tài trợ cho nỗ lực của Đại học Columbia nhằm kích thích tế bào thần kinh bằng siêu âm và tin rằng cuối cùng nó có thể dẫn đến một phiên bản từ tính của công nghệ gọi là “từ trường”.

svg+xml,%3Csvg%20xmlns= Optogenetics: Một hệ thống thực tế ảo để kiểm soát các tế bào sống

Để điều tra việc sử dụng quang di truyền học, âm học và trường điện từ trong điều trị, DARPA đã triển khai chương trình ElectRX (Kê đơn điện) vào năm 2015, chương trình này có khả năng kích thích, điều chỉnh và giám sát hệ thần kinh ngoại vi của cơ thể. Cơ quan nghiên cứu cũng đang khám phá cách trí tuệ nhân tạo có thể được sử dụng trong cấy ghép não vòng kín, chẳng hạn như khả năng phát hiện các kiểu liên quan đến rối loạn tâm trạng.

Với đủ tiến bộ, người ta tin rằng optogenetics và các cơ quan nghiên cứu xung quanh nó có thể mở ra cơ hội cho các công nghệ lập bản đồ não và phản hồi sinh học thời gian thực, có thể được sử dụng để điều trị tất cả các loại bệnh một cách nhanh chóng thông qua các tín hiệu điều hòa thần kinh vòng kín đến và từ một thiết bị cấy ghép, cuối cùng loại bỏ nhu cầu về dược phẩm.

Đọc thêm:  Cách Giảm Hóa đơn Không dây Hàng tháng của Bạn: 12 Lời khuyên Hữu ích