optogenetiikka

Stressi ei ole pelkästään tarttuvaa, se muuttaa jopa aivojen rakennetta

Pe, 03/09/2018 - 21:36 Markus Hotakainen

Jokainen varmaan tietää, että stressi leviää työyhteisössä kulovalkean lailla. Jos jollain on kauhea kiirus, pian kaikki tuntevat taakan harteillaan. Valitettavasti kyse ei ole pelkästään tuntemuksista.

Jaideep Bains (kuvassa vasemmalla) ja Toni-Lee Sterley työryhmineen ovat todenneet tutkimuksessaan, että stressi aiheuttaa muutoksia paitsi paineen alla työskentelevän myös muiden aivoissa aivan kuin kaikki kokisivat samanlaista stressiä.

Tutkimus tosin tehtiin hiirillä. Tuntuu kuitenkin luontevalta, että tuloksia voi soveltaa myös ihmisiin, sillä stressin aiheuttamat muutokset aivoissa kumoutuivat naarashiirillä sosiaalisen kanssakäymisen seurauksena. Koirashiirillä niin ei tapahtunut. Näinhän se tuppaa olemaan meillä miehilläkin.

"Stressiin liittyvät muutokset aivoissa voivat olla tekemisissä esimerkiksi posttraumaattisten stressihäiriöiden, ahdistuneisuuden ja masennuksen kanssa", Bains arvelee. "Viimeaikaiset tutkimukset viittaavat siihen, että stressi ja siihen liittyvät tuntemukset voivat olla 'tarttuvia'. Toistaiseksi emme tiedä, ovatko seuraukset pysyviä."

Tutkimuksessa tarkasteltiin hiiriparien käyttäytymistä. Parit erotettiin ja toinen osapuoli altistettiin lievälle stressille. Kun hiiret päästettiin taas toistensa seuraan, tutkijat tarkastelivat hiirien aivosoluja, jotka reagoivat stressiin. Kävi ilmi, että kummallakin hiirellä tapahtui solutasolla samanlaisia muutoksia.

Jatkotutkimuksessa selvitettiin optogenetiikan vaikutusta solutason muutoksiin. Valon avulla "sammutettiin" tiettyjä neuroneja stressialtistuksen aikana, jolloin aivoissa ei tapahtunut muutoin esiintyviä muutoksia. Kun sama prosessi toistettiin stressaantumattoman hiiren kohdalla, kun se pääsi tekemisiin stressihiiren kanssa, myöskään sen aivoissa ei tapahtunut muutoksia.

Omituista oli se, että "sytytettäessä" samat neuronit uudelleen – jälleen valon avulla – kummankin hiiren aivoissa havaittiin merkkejä stressistä. Tutkijat saivat selville, että näiden neuronien aktivoituminen sai aikaan "hälyferonomin" erityksen, mikä aiheutti stressireaktion myös muissa hiirissä. Tällaisten "stressisignaalien" välittyminen saattaa olla kytköksissä sosiaalisten verkostojen syntymiseen.

Niillä näyttää olevan lieventävä vaikutus stressin aiheuttamille haitoille – mutta valitettavasti vain naarailla. Jos ne pääsivät tekemisiin stressaantumattomien lajitovereidensa kanssa, haittavaikutukset vähenivät lähes puoleen. Koiraiden kohdalla vastaavaa ilmiötä ei havaittu.

Vaikka tutkimus tehtiin hiirillä, sen tulokset saattavat antaa viitteitä myös ihmisten käyttäytymisestä ja reagoimisesta stressiin. Viestimme stressistämme myös muille, joskin usein tiedostamattamme. Erityisesti perhepiirissä stressioireet vaikuttavat yleensä kaikkiin. Toisaalta muiden ihmisten mielialojen aistiminen on oleellinen tekijä sosiaalisten suhteiden muodostumisessa ja ylläpitämisessä.

Stressitutkimuksen tuloksista kerrottiin EurekAlert!-uutissivustolla ja ne on julkaistu Nature Neuroscience -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Adrian Shellard, Hotchkiss Brain Institute

Mistä on pienet biobotit tehty? Valosta ja lihaksista.

Ti, 03/15/2016 - 14:04 Markus Hotakainen
Taiteilijan näkemys biobotista

Robotit ovat tulossa, siitä ei ole epäilystäkään. Tai nehän ovat jo täällä, mutta uudenlaisia kehitellään kaiken aikaa.

Illinois’n yliopistossa on otettu iso askel kohti käyttökelpoista biologista robottia eli biobottia. Sen liikkuminen perustuu geneettisesti manipuloituihin lihassoluihin ja sitä ohjataan valolla.

"Valo on lempeä tapa ohjata näitä koneita", tutkimusta johtanut Rashid Bashir toteaa. "Se mahdollistaa joustavuuden sekä suunnittelussa että liikkumisessa. Pohjimmiltaan yritämme kehittää biologisten järjestelmien perusrakennetta ja mielestämme valo-ohjaus on merkittävä askel siihen suuntaan."

Bashirin ryhmä on aiemmin onnistunut kehittämään biobotteja, joita ohjataan sähkökentän avulla, mutta sähköllä on bioympäristössä erilaisia haittavaikutuksia. Sillä ei myöskään pystytä stimuloimaan tiettyä aluetta lihaskudoksessa, mitä biobotin ohjaaminen edellyttää. 

Tutkijoiden kasvattaman lihaskudoksen solut ovat peräisin hiiristä. Niihin on lisätty geeni, joka saa lihaksen supistumaan, kun siihen kohdistuu tietyn aallonpituista sinistä valoa. Tällaista tekniikkaa kutsutaan optogenetiikaksi.

Lihaskudoksen muodostamat renkaat kiinnitetään 3D-tulostettuun joustavaan "selkärankaan", jolla voi olla pituutta seitsemästä millimetristä kahteen senttimetriin. 

 

 

"Kehittämämme lihakset ovat renkaanmuotoisia, kuin kumilenkkejä, sillä halusimme tehdä niistä modulaarisia", kertoo tutkimukseen osallistunut Ritu Raman. "Siten voimme käyttää niitä kuin rakennuspalikoita, jotka ovat yhdistettävissä millaiseen 3D-tulostettuun luurankoon tahansa, jolloin saamme erilaisiin käyttötarkoituksiin soveltuvia biobotteja."

Rengasmaiset lihakset tekevät myös niiden "ruokkimisen" helpommaksi, sillä ne voivat imeä ympäristöstään ravinteita koko pinnallaan. Lihasten treenaaminen on helppoa, sillä valonvälähdykset saavat ne supistumaan rytmikkäästi ja samalla niiden voima kasvaa. 

 

 

"Rakenne on hyvin joustava", Bashir kehuu. "Renkaiden avulla voimme yhdistää millaisia liitoksia tai niveliä hyvänsä 3D-tulostetussa luurangossa. Jos renkaita on useita, voi myös jalkoja olla useita. Valon avulla pystymme hallitsemaan, mihin suuntaan ne liikkuvat."

Tutkimuksesta kerrottiin Illinois’n yliopiston uutissivuilla ja se on julkaistu Proceedings of the National Academy of Sciences -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuvat: Janet Sinn-Hanlon (pääkuva) ja Ritu Raman; video: Ritu Raman

Toimivaa valohoitoa

La, 04/05/2014 - 14:19 Markus Hotakainen

Keskushermoston vaurioituminen joko onnettomuudessa tai sairauden seurauksena voi johtaa pysyvään halvaantumiseen. Tutkijat ovat nyt kehittäneet menetelmän, joka – ainakin hiirellä – palauttaa lihaksen toimintakyvyn. Oleellisena elementtinä on valo.

Jo Luigi Galvanin 1700-luvulla tekemistä uraauurtavista kokeista lähtien on tiedetty, että sähköllä voidaan vaikuttaa lihasten toimintaan. Se on luonnollista, sillä hermoimpulssit ovat sähköisiä. Keinotekoisten impulssien synnyttäminen sähkön avulla ei kuitenkaan ole kovin toimiva keino lihasten toimintakyvyn palauttamisessa, sillä ne saavat lihakset supistumaan liian voimakkaasti ja saattavat aiheuttaa kipua, jos tuntohermot ovat vielä toiminnassa.

Sähköä "lempeämpi" impulssien aiheuttaja on valo. Science-tiedelehdessä 4. huhtikuuta julkaistussa brittitutkimuksessa kantasoluihin siirrettiin levästä geenejä, jotka saivat solut tuottamaan valoherkkää proteiinia ChR2 (channelrhodopsin-2). Sen jälkeen soluihin lisättiin viestimolekyylejä, jotka saivat ne kehittymään hermosoluiksi. Tuloksena oli valoherkkiä hermosoluja.

Solut siirrettiin hiiren lonkkahermoon, joka kuljettaa hermosignaaleja selkäytimestä takajalkojen lihaksiin. Kun siirre muutaman viikon kuluttua oli kytkeytynyt hermoon, siihen johdettiin valokuidulla sinistä, aallonpituudeltaan 470 nanometrin valoa. Lyhyillä valopulsseilla halvaantunut lihas saatiin aktivoitumaan ja jalka liikkumaan.

Tehdyistä kokeista on pitkä matka halvaantuneiden potilaiden toimintakyvyn palauttamiseen, mutta tulokset ovat merkittävä askel optogenetiikan alalla. Siitä toivotaan parannuskeinoa moniin keskushermoston vaurioihin ja sairauksiin. Tutkijaryhmän seuraavana tavoitteena on kehittää menetelmää siten, että sen avulla saadaan palautettua hengityksessä tarvittava lihastoiminta. Koe-eläiminä hiiristä siirrytään sikoihin.

Englanninkielinen video menetelmän toimintaperiaatteesta löytyy täältä.