Как едно водорасло даде на учените „ключ“ за мозъка - Нобелът за медицина 2026

Изследователите дълго мечтаят да разберат как точно мозъкът формира спомени, чувства и поведения. Преди дни Карл Дайсерот, Петер Хегеман и Георг Нагел спечелиха Нобеловата награда за физиология или медицина за 2026 г. за своите открития, довели до развитието на оптогенетиката - метод, който позволява да бъдат включвани или изключвани индивидуални нервни клетки в жив мозък. Сега този метод се използва в лаборатории в цял свят, за да бъдат разкрити мистериите на човешкия мозък.

"За мен собственият ми мозък е най-необяснимият механизъм - винаги жужи, бучи, лети, реве, гмурка се и накрая остава заровен в кал. Защо? За какво е цялата тази страст?"

Това са думи на Вирджиния Улф от писмо до приятел през 1932, които Нобеловият комитет цитира в началото на обширен материал, посветен на тримата учени, които бяха наградени преди дни.

Много хора споделят нейния огромен интерес към човешкия мозък, но малцина са призвани да направят крачката напред. Как така този орган, който тежи близо килограм и половина може да съхранява детски спомени, блянове и изобретателност? Как така той е причината да изпитваме щастие, любов и ревност? Как той контролира ритъма на сърцето, дишането и цикъла на съня?

Още от древността хората се опитват да разберат тази биологична мистерия. През 20 в. изследователите успешно идентифицират кои региони на мозъка контролират различните физиологични функции. Новопридобитите знания са безценни, но тогавашните методи не са били достатъчно прецизни, за да докажат, че конкретен вуд нервна клетка е отговорна за появата на определено чувство или поведение.

Мозъкът тогава е бил нещо като размазана снимка, в която детайлите още не са били изяснени.

Франсис Крик, носителят на Нобелова награда за физиология или медицина за 1962 г., е един от учените, които мечтаят за по-прецизни инструменти за изследване на изключително сложната мрежа от нервни клетки в мозъка. Няколко десетилетия след революционното откриване на двойната спирала на ДНК през 1953 г. той започва да изследва механизмите, които стоят в основата на човешкото съзнание.

Крик обмисля как отделни нервни клетки в жив мозък биха могли да бъдат активирани.

Тъй като сигналите в нервните клетки са изключително бързи, Крик стига до извода, че би могло да достигне тази скорост като използва светлина. Ако молекулярните биолози успеят по някакъв начин да манипулират нервните клетки и да ги накарат да реагират на светлина, те биха могли да контролират нервната активност. Крик признава, че идеята му звучи невероятно, но може би не напълно невъзможна.

Днес тя вече е реалност. Карл Дайсерот, Петер Хегеман и Георг Нагел са удостоени с Нобеловата награда за 2026 г. за откриването на молекулярен превключвател за нервните клетки.

С помощта на светлина изследователите вече могат да включват или изключват отделни нервни вериги в мозъка. Те могат да съживяват спомени, да предизвикват чувства, да стимулират определено поведение и да изследват видовете неврони, които участват в различни психиатрични и неврологични заболявания.

Оптогенетиката променя фундаментално разбиранията ни за мозъка. Благодарение на нейното развитие учените стигат до нови изводи за начина, по който нервната система взаимодейства с различни клетки в други части на тялото, като сърцето и червата.

Всичко започва от любопитството на един изследовател. В началото на 90-те години Петер Хегеман от Института "Макс Планк" по биохимия в Мартинсрид си задава прост въпрос: Защо едноклетъчното водорасло Chlamydomonas реагира толкова бързо на светлина?

Хегеман изследва как плуващото водорасло усеща светлината

Chlamydomonas е известна със способността си да плува към светлина. Когато изследователите разбъркат това зелено водорасло в петриева паничка (бел. р. лабораторен стъклен съд с капак), течността придобива бледозелен цвят. Ако след това осветят едната страна на паничката, зеленият цвят се измества към източника на светлина, тъй като микроскопичните водорасли плуват към него.

Водораслите усещат светлината с очна точка - малка оранжева точка на повърхността на клетката, която съдържа ретинал - молекула, която улавя светлината.

Хегеман изследва очната точка на водораслите. С помощта на миниатюрни електроди, той измерва електрическите сигнали, които възникват в Chlamydomonas, когато точката е осветена. Водораслите реагират невероятно бързо - само половин милисекунда след като светлината достига очната петънце, възниква електрически импулс.

В сравнение с други биологични системи, познати по това време, реакцията е забележително бърза Светлината, която достига до човешкото око, задейства сложна химическа верижна реакция, която включва много различни стъпки. Крайният протеин в тази верига - йонен канал - образува отвор в клетъчната повърхност, през който могат да преминават заредени йони, създавайки електрически сигнал. Целият процес отнема 10 милисекунди. Реакцията към светлина на водораслото Chlamydomonas обаче е повече от двадесет пъти по-бърза, отколкото при човешкото око. Защо?

Бързата светлинна реакция във водораслите разпалва любопитството на Хегеман

Хегеман стига до извода, че процесът е много по-лесен при Chlamydomonas, отколкото в човешкото око. В началото на 90-те години на миналия век той формулира хипотезата, че един единствен протеинов комплекс едновременно улавя светлина и действа като йонен канал. Тази идея обаче е посрещната със скептицизъм. До момента изследователите действително са знаели за съществуването на различни йонни канали, но не и за такива, които да реагират на светлината самостоятелно.

Хегеман проверява хипотезата си с опит да изолира светлочувствителния протеин на Chlamydomonas. Това, разбира се, е доста трудна задача. Когато протеините в очното петънце на водораслите били извадени от естествената им среда, те станали нестабилни и лесно се повреждали, което прави по-трудно тяхното изучаване.

Но някъде около началото на хилядолетието, след години неуспехи, изследователската група прави интригуващо откритие. Японски изследователи картографират ДНК-то на Chlamydomonas и правят достъпен генетичния код за хиляди гени. Сред тях групата на Хегеман открива два гена, които имали значителни прилики с известни гени за светлоулавящи протеини. Това ги навежда на мисълта, че някой от тях може да съдържа кода за протеина, който търсят.

За да отговори на този въпрос, Хегеман се свързва със свой колега: Георг Нагел от Института по биофизика „Макс Планк“ във Франкфурт. Той притежава необходимите знания, за да направи следващата решителна стъпка към революцията в невронауката.

Хегеман и Нагел откриват забележителен протеин

Нагел използва яйцеклетки от жаби, за да изучава протеини. Когато получава двата гена на Chlamydomonas, той инжектира техни копия, поотделно, в различни партиди жабешки яйца. След това те започнали масово да произвеждат двата неизвестни протеина. Протеините се озовали на повърхността на яйцеклетките, в околната мембрана, което позволило на Нагел да изследва как функционират. Той бързо открил, че хипотезата, формулирана от Хегеман десетилетие по-рано, е вярна: новооткритите протеини са йонни канали, които се отварят при излагане на светлина.

Тези протеини били наречени каналродопсин-1 и каналродопсин-2. Действително вторият протеин е този, който проправя пътя за оптогенетиката.

Протеинът от водорасли активира човешките клетки

Точно както в експеримента на Хегеман, характеризирането на канал-родопсин-2 от Нагел показва, че протеинът реагира изключително силно и бързо на светлинен импулс. Каналът се отваря през повърхността на яйцеклетката на жабата в рамките на 0,2 милисекунди. След това положително заредени йони преминават през канала и произвеждат електрически сигнал.

Хегеман и Нагел осъзнали, че са направили революционно откритие. Те тествали дали могат да въведат гена за канал-родопсин-2 в ембрионални човешки бъбречни клетки и в бъбречни клетки от хамстери. Клетките станали светлочувствителни: когато били изложени на светлина, те произвеждали електрически сигнал.

През 2003 г. Хегеман и Нагел публикуват резултатите от своя експеримент. Те предлагат канал-родопсин-2 да се използва като мощен инструмент, който с помощта на светлина да генерира електрически импулси в клетките. След това млад учен от Станфордския университет поема щафетата - той е и третия награден тази година с Нобела за медицина.

Срещата с психиатрични пациенти е решаваща за Дейсерот

През 90-те години на миналия век, когато Карл Дайсерот започва да учи медицина, той обмисля кариера в неврохирургията, но част от обучението му преминава в психиатрична клиника. Там той е поразен от това колко силно страдат пациентите и от колко помощ се нуждаят. Същевременно си задава въпроса как мозъкът може да работи толкова различно при различните хора. Защо хората с депресия се затрудняват да изпитват радост? Каква е причината за аутизъм или шизофренични заблуди?

Успоредно с обучението си по медицина, Дайсерот получава докторска степен по неврология. В лабораторията използва тънки мозъчни срезове и ги изследва в петриеви панички. Изследванията му водят до важни прозрения, но той осъзнава, че трябва да изучи как функционират нервните клетки в жив мозък, ако иска разбере заболяванията, с които се сблъсква в клиниката.

Други изследователи се опитват да разработят методи, които да позволяват контролиране на активността на специфични нервни клетки по начина, предложен от Франсис Крик. Много от тях обаче се опасявали, че това е нереалистична мечта, заради която ще загубят време и пари.

Дейсерот осъзнал, че трябва да рискува - досегашните лечения, които той би могъл да предложи на пациентите си, рядко били ефективни и често водели до изтощителни странични ефекти. Единственият начин да намери по-добро лечение за пациентите си е да придобие по-добро разбиране за човешкия мозък

Пренасянетo на водораслов протеин в нервните клетки

Когато Дейсерот основава собствена изследователска група, тя започват да търси протеин, който да използват за задействане на електрически импулси в нервните клетки. Тестват множество кандидати и когато Дейсерот чува за откритието на каналродопсин-2, пише на Георг Нагел и пита дали може да получи достъп до ДНК, кодираща протеина.

Когато ДНК-то пристига в лабораторията на Дейсерот, той я въвел в нервни клетки на плъхове, култивирани в петриеви панички. Имал само че притеснението, че чуждият ген ще повлияе негативно на чувствителните нервни клетки, но те започнали да произвеждат каналродопсин-2 без видими проблеми. Когато изследователската група изложила нервните клетки на синя светлина, клетките реагирали незабавно. Светлината провокирала нервен сигнал, който можел да се разпространи до други нервни клетки.

През 2005 г. изследователската група на Дейсерот публикува откритието си. Това за учените е решаващ етап, но Дейсерот разбира, че му предстои дълъг път, преди да постигне целта си: способността да контролира активността на нервните клетки при живи животни.

Оптогенетичен контрол на нервните клетки в жив мозък

Карл Дайсерот започва множество сътрудничества, включително с Петер Хегеман и Георг Нагел. Той споделя откритието си и с други изследователи, които съзнават огромния му потенциал. С лабораторията на Дайсерот начело, изследователите скоро открили още протеини, които могат да включват и изключват нервните клетки и които се активират от различни дължини на вълната на светлината.

През 2006 г. този нов метод получава името оптогенетика. Година по-късно Дейсерот успешно активира нервни клетки в мозъците на живи мишки. Неговата изследователска група въвежда гена за каналродопсин-2 в специфичен тип нервни клетки в областта на мозъка, която управлява движението. След това те осветяват нервните клетки с тънко оптично влакно, което подават в мозъка през малък отвор в черепа. Това им позволява да контролират движенията на мустаците на мишката.

През същата година Дейсерот, заедно с друг екип, използва оптогенетика, за да събуди спящи мишки по контролиран начин. Изследователската група въвежда каналродопсин-2 в наскоро открит тип нервна клетка, за която подозират, че контролира будността. Когато насочват светлина към нервните клетки, мишките се събуждат и това потвърждава тезата им.

През 2012 г. е публикуван друг известен труд от ранните етапи на оптогенетиката Заедно със Сусуму Тонегава, лауреат на Нобеловата награда за открития в имунологията през 1987 г., Дейсерот успешно активира енграма - специфичният модел на невронни пътища, който се формира при създаването на спомен.

Учените са изследвали мозъците на мишки, които изпитват страх, и са отбелязали кои нервни клетки формират спомена за преживяването. При по-късна активация на нервните клетки, мишките показват признаци на страх, макар и да не са в опасност. Това е първият експеримент, в който изследователите успяват да демонстрират точно кои нервни клетки са необходими за специфичен спомен.

Нова епоха в невронауката

Способността за активиране на отделни видове нервни клетки в мозъка променя коренно човешкото разбиране за този невероятен орган. Мозъкът на възрастен човек има около 90 милиарда нервни клетки, като всяка образува хиляди връзки с други нервни клетки. В много случаи пътят от нервната клетка се простира до напълно различна област на мозъка, докато нервните клетки, които управляват напълно отделни физически функции, могат да бъдат тясно преплетени.

Благодарение на оптогенетиката, изследователите вече могат да открият точно кои от нервните клетки в сложен сноп контролират различни мозъчни функции. Учените са идентифицирали невронни вериги, които управляват чувството за болка, социалното поведение, жаждата, консумацията на храна, наградата и вниманието. Също така са открили нервни клетки, отговорни за най-различни функции - от контролиране на циркадния ритъм до причиняване на температура, когато имунната система е активирана.

Оптогенетиката също може да се използва за картографиране на нервната система и клетъчните функции дори извън мозъка. Дейсерот е доказал, че сърдечният ритъм може да повлияе на емоциите ни; ако сърцето е принудено да работи по-усилено, това може да засили чувството на тревожност. Други изследователи откриват специфични клетки в червата, които могат да се окажат причината някои хора да предпочитат да ядат захар, отколкото подсладители.

Методът осигурява по-добро разбиране на отличителните характеристики на психиатрични и неврологични разстройства като депресия, тревожност, шизофрения, болест на Алцхаймер и болест на Паркинсон.

В текущи клинични изпитвания експертите се опитват да възстановят зрението при хора, които са ослепели поради ретинит пигментоза - заболяване, което разрушава пръчиците и конусите на окото. Незрящ човек възвръща част от зрението си след като учените вкарват подобен на каналродопсин протеин в неговата ретина. Човекът успява да различава и хваща предмети на масат, благодарние на специални очила, излъчващи светлина.

Съществуват и надежди, че оптогенетиката би могла да подобри слуховите апарати, които в момента работят с помощта на електричество.