Nobel w dziedzinie medycyny 2026 za optogenetykę. Jak działa sterowanie neuronami światłem?

Nobel z medycyny 2026 trafił do Karla Deisserotha, Petera Hegemanna i Georga Nagela za odkrycia, które pozwoliły naukowcom sterować aktywnością neuronów za pomocą światła. To właśnie ich prace nad światłoczułymi kanałami jonowymi doprowadziły do rozwoju optogenetyki – jednej z najważniejszych metod współczesnych badań mózgu.

Optogenetyka od lat jest wykorzystywana w laboratoriach na całym świecie. Za pomocą krótkich impulsów światła badacze mogą aktywować wybrane neurony i sprawdzać, jak wpływa to na pamięć, emocje, ruch czy zachowanie. Co ciekawe, początki tej metody nie były związane z badaniami mózgu, lecz z jednokomórkową algą, która potrafiła poruszać się w stronę światła.

Nobel z medycyny 2026 za technologię, która pozwala sterować neuronami światłem

Karl Deisseroth, Peter Hegemann i Georg Nagel dostali Nobla za odkrycia, które dały naukowcom coś naprawdę niezwykłego: możliwość włączania i wyłączania aktywności wybranych neuronów za pomocą światła. Tak działa optogenetyka – metoda, która pozwala bardzo precyzyjnie sprawdzać, co robią konkretne komórki w żywym mózgu i jak ich aktywność wpływa na zachowanie.

Wcześniej badacze mogli obserwować, że dany fragment mózgu staje się aktywny podczas ruchu, odczuwania strachu czy przypominania sobie określonego wydarzenia. Problem w tym, że sama obserwacja nie mówi jeszcze, czy te neurony rzeczywiście wywołują daną reakcję, czy tylko uruchamiają się razem z innym procesem zachodzącym w mózgu.

I tutaj optogenetyka zmieniła naprawdę dużo. Naukowiec może celowo pobudzić wybraną grupę neuronów i sprawdzić, co się stanie. Może też zrobić odwrotnie – ograniczyć ich aktywność i zobaczyć, czy określone zachowanie zniknie albo się zmieni. Zamiast patrzeć z boku na pracę mózgu, badacze dostali narzędzie pozwalające sprawdzać konkretne zależności w praktyce.

Co ważne, wszystko może odbywać się bardzo szybko, bo neurony reagują na impulsy w ciągu milisekund. Właśnie ta precyzja sprawiła, że optogenetyka stała się jednym z najważniejszych narzędzi współczesnej neuronauki i pozwoliła znacznie lepiej zrozumieć, jak poszczególne obwody mózgu odpowiadają za pamięć, emocje, ruch czy zachowanie.

Wszystko zaczęło się od algi, która potrafiła płynąć w stronę światła

Co ciekawe, historia optogenetyki wcale nie zaczęła się od badań mózgu. Peter Hegemann zajmował się Chlamydomonas, jednokomórkową algą, która potrafi wykryć światło i poruszać się w jego kierunku. Naukowców interesowało, jak tak niewielki organizm rozpoznaje, skąd ono pada i jak przekłada tę informację na ruch.

Wspólnie z Georgiem Nagelem Hegemann odkrył właściwości białka obecnego w błonie komórkowej algi. Kanałorodopsyna działa jak mikroskopijna bramka, którą można otworzyć światłem. Gdy pada na nią odpowiednia długość fali, kanał przepuszcza jony przez błonę komórki, a to zmienia jej stan elektryczny.

Najważniejsze okazało się jednak coś innego. Gen odpowiedzialny za produkcję kanałorodopsyny można było wprowadzić także do innych komórek. Wtedy one również zaczynały reagować na światło. To właśnie otworzyło drogę do wykorzystania tego mechanizmu w neuronach, które same przecież działają dzięki impulsom elektrycznym.

Jak działa optogenetyka? Neuron dostaje światłoczuły „przełącznik”

Karl Deisseroth wykorzystał kanałorodopsynę w neuronach szczura. Po wprowadzeniu odpowiedniego genu komórki zaczęły produkować światłoczułe białko w swojej błonie. Kiedy naukowcy oświetlili je niebieskim światłem, neurony zareagowały impulsem elektrycznym. W 2005 roku zespół pokazał, że aktywność neuronu można w ten sposób uruchomić światłem.

Najłatwiej wyobrazić sobie to jak dodanie komórce biologicznego przełącznika. Najpierw naukowcy wybierają neurony, które mają produkować światłoczułe białko, a później sterują ich aktywnością krótkimi impulsami światła. Już dwa lata po pierwszych eksperymentach podobny mechanizm udało się wykorzystać w mózgu żywych myszy.

Kluczowa jest tutaj precyzja. Światło można doprowadzić do niewielkiego obszaru mózgu za pomocą cienkiego światłowodu, ale zareagują na nie tylko te neurony, które wcześniej wyposażono w odpowiednią opsynę. Komórki znajdujące się tuż obok mogą nie odpowiedzieć na ten sam impuls w ogóle. Dzięki temu badacze nie pobudzają przypadkowo całego fragmentu mózgu, lecz mogą skupić się na konkretnej grupie neuronów.

Pamięć, strach, ruch i nagroda. Co można badać światłem?

Optogenetyka jest dziś wykorzystywana do badania bardzo różnych funkcji mózgu. Naukowcy sprawdzają w ten sposób m.in. jak powstają i wracają wspomnienia, co uruchamia reakcję strachu, jak działa układ nagrody, sen, ruch czy motywacja.

Nie chodzi przy tym o znalezienie jednego „neuronu strachu” albo komórki odpowiedzialnej za konkretne wspomnienie. Mózg działa poprzez całe sieci połączonych neuronów, a optogenetyka pozwala sprawdzać, jaką rolę pełnią poszczególne grupy komórek w takim obwodzie.

Ta sama metoda jest wykorzystywana w badaniach nad chorobą Parkinsona, padaczką, schizofrenią, uzależnieniami czy chorobą Alzheimera. Badacze mogą sprawdzać, które obwody zaczynają działać inaczej i czy zmiana aktywności konkretnych neuronów wpływa na objawy.

Na razie optogenetyka jest przede wszystkim narzędziem badawczym, a nie standardową metodą leczenia. Ale właśnie dzięki takim eksperymentom można lepiej zrozumieć, gdzie szukać nowych terapii.

Tego bym zostawił, bo to bardzo dobra sekcja — czytelnik po części o badaniach mózgu naturalnie chce wiedzieć: „okej, ale czy z tego kiedyś będzie leczenie?”. Tylko obecna wersja brzmi trochę zbyt naukowo i miejscami jak streszczenie publikacji. Skróciłbym ją i napisał bardziej po ludzku:

Czy optogenetyka może trafić z laboratorium do szpitala?

Najbliżej praktycznego zastosowania optogenetyka jest dziś w badaniach nad wzrokiem. W niektórych chorobach siatkówki uszkodzeniu ulegają fotoreceptory, czyli komórki odpowiedzialne za odbieranie światła, podczas gdy inne elementy siatkówki nadal pozostają sprawne.

Badacze próbują więc nadać światłoczułość innym komórkom oka, wprowadzając do nich odpowiednie białka. W części eksperymentalnych terapii wykorzystuje się też specjalne okulary, które rejestrują obraz i zamieniają go na sygnały świetlne dostosowane do zmodyfikowanych komórek siatkówki.

Pierwsze badania pokazały, że takie podejście może pozwolić niektórym pacjentom odzyskać część funkcji wzrokowych. Do normalnie stosowanego leczenia droga jest jednak jeszcze długa. Trzeba między innymi dopracować sposób dostarczania genów do komórek i sprawdzić, jak bezpiecznie oraz skutecznie metoda działa przez wiele lat.

Optogenetyka jest również badana pod kątem innych zastosowań, m.in. związanych ze słuchem. Na razie jej największe znaczenie pozostaje jednak naukowe – pozwala zrozumieć działanie komórek nerwowych z dokładnością, której wcześniej po prostu nie było.

Tę sekcję bym zostawił, bo odpowiada na pytanie, które faktycznie może mieć czytelnik. Ale obecna wersja ma kilka typowo „AI-owych” zdań. Lepiej tak:

Czy światłem można sterować ludzkim mózgiem?

Brzmi efektownie, ale optogenetyka wymaga znacznie więcej niż skierowania światła na głowę. Najpierw wybrane neurony muszą zostać wyposażone w światłoczułe białka, a dopiero później można próbować wpływać na ich aktywność odpowiednim impulsem.

Jest jeszcze drugi problem – światło musi dotrzeć dokładnie tam, gdzie znajdują się zmodyfikowane komórki. Czaszka i tkanka mózgowa mocno ograniczają jego przenikanie, dlatego w badaniach na zwierzętach wykorzystuje się m.in. bardzo cienkie światłowody lub miniaturowe źródła światła umieszczane w pobliżu badanego obszaru.

U człowieka dochodzi do tego kwestia bezpiecznego wprowadzenia genów odpowiedzialnych za produkcję światłoczułych białek. Dlatego optogenetyka nie jest dziś technologią pozwalającą zdalnie „sterować człowiekiem” za pomocą światła. Jej praktyczne zastosowanie jest znacznie bardziej skomplikowane i wymaga ingerencji na poziomie konkretnych komórek.

Optogenetyki nie należy też mylić z interfejsami mózg–komputer. BCI odczytuje sygnały powstające w układzie nerwowym i może zamieniać je np. na polecenia dla komputera czy protezy. Optogenetyka działa w drugą stronę – pozwala wpływać na aktywność wcześniej przygotowanych neuronów za pomocą światła.

Od przełomu do Nobla minęły ponad dwie dekady

Praca zespołu Karla Deisserotha, która pokazała, że aktywność neuronów można kontrolować za pomocą światła, ukazała się w 2005 roku. Od tamtego momentu minęło ponad 20 lat, zanim optogenetyka została uhonorowana Noblem.

W przypadku takich odkryć nie jest to niczym niezwykłym. Potrzeba czasu, żeby sprawdzić, czy nowa metoda rzeczywiście zmienia sposób prowadzenia badań i czy znajdzie zastosowanie poza laboratorium, w którym powstała. Optogenetyka szybko przestała być pojedynczym eksperymentem i zaczęła trafiać do zespołów badawczych na całym świecie.

Przez kolejne lata pojawiały się nowe światłoczułe białka, dokładniejsze sposoby kierowania ich do wybranych neuronów oraz lepsze metody dostarczania światła do konkretnych obszarów mózgu. Dzięki temu optogenetykę zaczęto wykorzystywać w badaniach nad pamięcią, snem, ruchem, strachem, układem nagrody czy chorobami neurologicznymi.

Dziś jest jednym z najważniejszych narzędzi współczesnej neuronauki. A droga do tego miejsca zaczęła się od badań nad jednokomórkową algą, która potrafiła wykrywać światło i poruszać się w jego kierunku. To właśnie poznanie mechanizmu tej reakcji otworzyło później drogę do sterowania aktywnością neuronów.

Źródła: NobelPrize.org, Nobel Assembly at Karolinska Institutet, Karolinska Institutet, Reuters. Opracowanie własne.

Dziękujemy za przeczytanie artykułu na Techoteka.pl.
Codziennie publikujemy najważniejsze informacje z Polski i ze świata dotyczące technologii, sztucznej inteligencji, nowych rozwiązań cyfrowych oraz trendów technologicznych, które kształtują przyszłość.
Obserwuj nas na Facebooku, aby być na bieżąco z najważniejszymi wydarzeniami ze świata technologii.