פגמים באופטוגנטיקה חושפים רמזים לגבי מחלת הנטינגטון

תגליות מדעיות עיקריות ופריצות דרך אינן תמיד מכוונות מעצמן. לדוגמא, כאשר הבקטריולוג אלכסנדר פלמינג חזר מחופשת קיץ בסתיו 1928 למעבדה לא מדויקת, הוא גילה כי עובש בעל תכונות חיידקיות הסתנן איכשהו לצלחות הפטרי שלו. התרחשות מקרית זו הובילה לגילוי פניצילין ופרס נובל לפיזיקולוגיה או רפואה לפלמינג לשנת 1945, ארנסט בוריס שרשרת, והווארד וולטר פלורי, כמו גם דוקטורט הכבוד הראשון לרפואה בתולדות אוניברסיטת אוקספורד שהוענק לביוכימאי נורמן היטלי על כך תפקיד בטיהור ומיצוי בתפזורת של פניצילין.

מהר קדימה לימינו בתחום אחר לגמרי - מדעי המוח. תוך כדי מחקר להבנת הסיבות הבסיסיות למחלת הנטינגטון באמצעות אינטליגנציה מלאכותית מתקדמת (AI) המתארחת בענן, צוות חוקרים גילה היבט של אופטוגנטיקה שעשוי להשפיע על ניסויים במדעי המוח הקיימים והעתידיים, כמו גם כמספקים תובנות על הפרעות ניווניות. פורסם היום בכתב העת המדעי דוחות תאים החוקרים הודיעו על הגילוי כי גירוי אור אופטוגנטי יכול לגרום לתגובות דומות בתאי מוח כפי שנצפו במחלת הנטינגטון (HD).

צוות חוקרי HD ממדעי הבריאות ומדעי החיים של יבמ, קרן CHDI (עמותה למחקר ביו-רפואי) ואוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס (UCLA), השתמשו באופטוגנטיקה ובבינה מלאכותית משוכללת (AI). פתרון מתארח.

אופטוגנטיקה היא שיטה מתקדמת שבה מתווסף קוד גנטי לתא מטרה, בדרך כלל נוירון, על מנת שהוא יפיק חלבונים עם תגובה אור המכונים אופסינים. נוירונים המוחדרים עם אופסין מאצות ירוקות Chlamydomonas reinhardtii, הנקראים channelrhodopsin-2 (ChR2), יכולים להדליק כאשר הם נחשפים לאור כחול, ולכבות כאשר האור הוסר. אופטוגנטיקה זכתה בפרס "שיטת השנה 2010" על ידי שיטת הטבע , ומשמש כיום במחקר מדעי במדעי ההתנהגות, מדעי המוח, עיניים, קרדיולוגיה ותחומים אחרים - הוא נחשב כטכניקת מחקר סטנדרטית בזהב.

צוות המחקר עבד יחד עם המעבדה של בלג'ית חאך, פרופסור לפיזיולוגיה ונוירוביולוגיה בבית הספר לרפואה בגפן באוניברסיטת UCLA. חאך הוא חוקר מוביל של אסטרוציטים, תא גליה שאינו עצבי בצורת כוכב שהם סוג התאים הנפוץ ביותר במערכת העצבים המרכזית.

מחקר קודם שפורסם ב טבע מדעי המוח בשנת 2014 על ידי חאך וחבריו החוקרים הראו כי ערוץ לא תקין באסטרוציטים עלול לפגוע ביכולתו לנקות אשלגן חוץ-תאי מה שמוביל לעודף אשלגן המאגר את הנוירונים. שיבוש האיזון הכימי הזה הפך את הנוירונים הסמוכים לרגישים יתר על המידה ויורים בקלות רבה מדי במודלי עכברי מעבדה של מחלת הנטינגטון.

למחקר זה, המעבדה של חאך סיפקה נתונים מ -14 ניסויים אופטוגנטיים שבהם נוירונים שעוררו אור כחול היו בעלי רמות אשלגן חוץ תאיות גבוהות בהמשך שיחזרו לקו הבסיס עם כיבוי האור.

"זה היה כאילו ניסויים אלה עלולים לגרום לתגובה סלולרית הקשורה ל- HD ואז להפוך אותה תוך כעשר דקות בלבד", כתבה סושימיטה אלם, MS, PHD, בקבוצת הדמיית המוח והדמיית רקמות עצביות של IBM, בדו"ח מחקר של IBM. .

"עבדנו בשיתוף פעולה הדוק עם CHDI וחוקרים ב- UCLA, תוך שימוש במודל מבוסס ענן של IBM כדי להדגים - לראשונה - כי חלבונים מסוימים הרגישים לאור המוחדרים לתאים בתוך הסטריאטום יכולים לעורר את אותן התגובות המעורבות בתפקוד לקוי של המוח חיה מודל HD ", כתב אלם באותו דו"ח.

פתרון למידת מכונות ה- AI הוכשר על נתונים שתויגו על ידי חוקרי UCLA בצוות. על פי מדעי המוח והממציא הראשי של יבמ, ג'יימס ר 'קוזלוסקי, במחלקה של יבמ ומדעי המוח המחשוביים של יבמ, הצוות השתמש באלגוריתם של התפתחות דיפרנציאל מיון (NSDE) שאינו נשלט.

"זה איפשר לנו ליצור מודלים של מגוון הפרמטרים המלא שאפשר להתאים לנתונים, ולא רק מודל אחד," אמר קוזלוסקי. "זהו פיתרון חדשני המתארח ב- AI לכל בעיות הדוגמנות באוכלוסייה עצבית, כולל כאלו הקשורות לנתונים שנאספו באמצעות אופטוגנטיקה."

"מצאנו 110,000 קבוצות ייחודיות של פרמטרים של נוירונים שהצליחו לשחזר את התנאים של ניסויי הדלקה ודליקת אור ואז לשחזר את ההשפעות של עליית האשלגן המבלבלת", כתב אלם. "השתמשנו באופטימיזציות נוספות כדי לצמצם את אלה ל- ~ 1,100 דגמים, שכל אחד מהם תאם מקרוב את הנתונים האמפיריים. "

החוקרים הוכיחו כי גירויים באור אופטוגנטי יכולים לשנות את התגובות של נוירונים ותאים אחרים במוח שיכולים להשפיע על דיוק הניסויים. הצוות מסיק כי בתחום האופטוגנטיקה, תכונות הממברנה של הנוירון, יחד עם ספי ההפעלה וההפעלה של תעלות יונים מגודרות מתח, מושפעות מהתנודות באשלגן החוץ-תאי; לכן יש לקחת בחשבון את הפיזיולוגיה התאית של האסטרוציטים ללימודי מדעי המוח מסוג זה בעתיד.

"אנו מציעים כי נוירופיזיולוגיה תאית נחוצה במקביל ל in vivo מחקרים על מנת לבצע פרשנות מספקת למעגלים העצביים ולתוצאות התנהגותיות במחקרים המשתמשים ב- ChR2 ובאסטרטגיות אופטוגנטיות קשורות אחרות ", כתבו החוקרים.

צוות המחקר לא פנה לחיפוש אחר נקודות תורפה באופטוגנטיקה, סטנדרט הזהב הנחשב של כלי מדעי המוח. עם זאת, במסע המדעי שלהם לא זו בלבד שגילו מדעני המוח החלוצים רמזים חדשים על הפרעות ניווניות כמו מחלת הנטינגטון, אלא הם גילו תגלית חשובה שעשויה לשפר את הדיוק במחקרי מדעי המוח המשתמשים בעתיד באופטוגנטיקה.

זכויות יוצרים © 2019 קאמי רוסו כל הזכויות שמורות.

אלם, סושמיטה. "מחקר באמצעות ענן IBM ו- AI שופך אור על מחלת הנטינגטון (HD)." יבמ. 21 במאי 2019.

שמידט, איליין. "אשלגן במוח יכול להיות המפתח להילחם במחלת הנטינגטון." UCLA. 31 במרץ 2014.

מרקל, האוורד. "הסיפור האמיתי שמאחורי הפניצילין." שעת החדשות של PBS. 27 בספטמבר 2013.

גיינס רוברט. "גילוי התובנות החדשות של פניצילין לאחר יותר מ -75 שנות שימוש קליני." מחלות זיהומים מתעוררים. מאי 2017.

ארגון פרס נובל. "פרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה 1945 הוענק במשותף לסר אלכסנדר פלמינג, ארנסט בוריס שרשרת וסר הווארד וולטר פלורי" על גילוי הפניצילין והשפעתו המרפא במחלות זיהומיות שונות. " אחזור 5-21-2019 מ https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1945/summary/

אוונס, רות. "חבר מפתח בצוות שלקח פניצילין מגילוי מעבדה לתרופת פלא המיוצרת בהמוניה." האפוטרופוס. 8 בינואר 2004.

אוקטו, ג'יי כריסטופר, גאנגוואני, מוהיטקומאר ר ', אלם, סושמיטה ל', טראן, דוי, הואנג, שוהאן, הואנג-טרונג, טואן מ ', גולשני, פיימן, רומבל, טימותי ה', קוזלוסקי, ג'יימס ר. חאך, באלג'יט ס. "עליות ארעיות וכתוצאה מכך ביוני אשלגן חוץ תאיים מלווים עירור Channelhodopsin2." דוחות תאים. 21 במאי 2019.