The Enchanted Loom
A. In 1937 the great neuroscientist Sir Charles Scott Sherrington of the University of Oxford laid out what would become a classic description of the brain at work. He imagined points of light signaling the activity of nerve cells and their connections. During deep sleep, he proposed, only a few remote parts of the brain would twinkle, giving the organ the appearance of a starry night sky. But at awakening, “it is as if the Milky Way entered upon some cosmic dance,” Sherrington reflected. “Swiftly the head-mass becomes an enchanted loom where millions of flashing shuttles weave a dissolving pattern, always a meaningful pattern though never an abiding one; a shifting harmony of subpatterns.”
Năm 1937, nhà khoa học thần kinh vĩ đại Sir Charles Scott Sherrington của Đại học Oxford đã đưa ra một mô tả kinh điển về hoạt động của não. Ông tưởng tượng ra những điểm sáng báo hiệu hoạt động của các tế bào thần kinh và các kết nối giữa chúng. Trong giấc ngủ sâu, ông cho rằng chỉ có một vài vùng xa xôi của não sẽ lấp lánh, khiến cơ quan này trông như một bầu trời đêm đầy sao. Nhưng khi tỉnh giấc, Sherrington suy ngẫm: “Như thể Dải Ngân Hà bắt đầu một điệu nhảy vũ trụ. Nhanh chóng, khối não biến thành một khung dệt huyền ảo, nơi hàng triệu sợi chỉ nhấp nháy dệt nên một họa tiết đang tan biến, luôn mang ý nghĩa mặc dù không bao giờ bền vững; một sự hài hòa thay đổi của các mẫu phụ.”
B. Although Sherrington probably did not realize it at the time, his poetic metaphor contained an important scientific idea: that of the brain revealing its inner workings optically. Understanding how neurons work together to generate thoughts and behavior remains one of the most difficult open problems in all of biology, largely because scientists generally cannot see whole neural circuits in action. The standard approach of probing one or two neurons with electrodes reveals only tiny fragments of a much bigger puzzle, with too many pieces missing to guess the full picture. But if one could watch neurons communicate, one might be able to deduce how brain circuits are laid out and how they function. This alluring notion has inspired neuroscientists to attempt to realize Sherrington’s vision.
Mặc dù có lẽ Sherrington lúc đó không nhận ra, nhưng ẩn dụ thơ mộng của ông chứa đựng một ý tưởng khoa học quan trọng: ý tưởng cho rằng não có thể tiết lộ cơ chế hoạt động bên trong của nó thông qua hình ảnh. Việc hiểu cách các neuron hợp tác để tạo ra suy nghĩ và hành vi vẫn là một trong những vấn đề mở khó khăn nhất trong toàn bộ sinh học, phần lớn bởi vì các nhà khoa học thường không thể quan sát được toàn bộ mạch thần kinh khi đang hoạt động. Phương pháp tiêu chuẩn là thăm dò một hoặc hai neuron bằng điện cực chỉ tiết lộ những mảnh nhỏ của một câu đố lớn, với quá nhiều mảnh ghép bị thiếu để có thể suy ra được bức tranh toàn cảnh. Tuy nhiên, nếu ta có thể quan sát được cách các neuron giao tiếp với nhau, có lẽ ta sẽ suy ra được cách bố trí và hoạt động của các mạch não. Ý tưởng hấp dẫn này đã truyền cảm hứng cho các nhà khoa học thần kinh nỗ lực hiện thực hóa tầm nhìn của Sherrington.
C. Their efforts have given rise to a nascent field called optogenetics, which combines genetic engineering with optics to study specific cell types. Already investigators have succeeded in visualizing the functions of various groups of neurons. Furthermore, the approach has enabled them to actually control the neurons remotely simply by toggling a light switch. These achievements raise the prospect that optogenetics might one day lay open the brain’s circuitry to neuroscientists and perhaps even help physicians to treat certain medical disorders.
Những nỗ lực đó đã tạo ra một lĩnh vực mới nổi mang tên optogenetics (quang-genetics), kết hợp giữa kỹ thuật di truyền và quang học để nghiên cứu các loại tế bào cụ thể. Các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc hình dung các chức năng của nhiều nhóm neuron khác nhau. Hơn nữa, phương pháp này cho phép họ kiểm soát các neuron từ xa chỉ bằng cách chuyển đổi công tắc đèn. Những thành tựu này mở ra triển vọng rằng một ngày nào đó optogenetics có thể phơi bày cấu trúc mạch não cho các nhà khoa học thần kinh, thậm chí còn giúp các bác sĩ điều trị một số rối loạn y tế.
D. Enchanting the Loom Attempts to turn Sherrington’s vision into reality began in earnest in the 1970s. Like digital computers, nervous systems run on electricity; neurons encode information in electrical signals, or action potentials. These impulses, which typically involve voltages less than a tenth of those of a single AA battery, induce a nerve cell to release neurotransmitter molecules that then activate or inhibit connected cells in a circuit. In an effort to make these electrical signals visible, Lawrence B. Cohen of Yale University tested a large number of fluorescent dyes for their ability to respond to voltage changes with changes in color or intensity. He found that some dyes indeed had voltage-sensitive optical properties. By staining neurons with these dyes, Cohen could observe their activity under a microscope.
Enchanting the Loom (Mê hoặc khung dệt). Việc biến tầm nhìn của Sherrington thành hiện thực bắt đầu được triển khai một cách nghiêm túc từ những năm 1970. Giống như máy tính kỹ thuật số, hệ thần kinh hoạt động dựa trên điện; các neuron mã hóa thông tin trong các tín hiệu điện, hay còn gọi là thế năng hành động. Những xung điện này, thường chỉ có điện áp thấp hơn một phần mười của điện áp của một viên pin AA, kích thích tế bào thần kinh giải phóng các phân tử chất dẫn truyền thần kinh, từ đó kích hoạt hoặc ức chế các tế bào được kết nối trong một mạch. Trong nỗ lực làm cho các tín hiệu điện này có thể quan sát được, Lawrence B. Cohen từ Đại học Yale đã thử nghiệm một số lượng lớn các thuốc nhuộm huỳnh quang để kiểm tra khả năng phản ứng với sự thay đổi điện áp qua thay đổi màu sắc hoặc cường độ. Ông phát hiện rằng một số thuốc nhuộm thực sự có đặc tính quang học nhạy với điện áp. Bằng cách nhuộm các neuron với những thuốc nhuộm này, Cohen có thể quan sát được hoạt động của chúng dưới kính hiển vi.
E. Dyes can also reveal neural firing by reacting not to voltage changes but to the flow of specific charged atoms, or ions. When a neuron generates an action potential, membrane channels open and admit calcium ions into the cell. This calcium influx stimulates the release of neurotransmitters. In 1980 Roger Y. Tsien, now at the University of California, San Diego, began to synthesize dyes that could indicate shifts in calcium concentration by changing how brightly they fluoresced. These optical reporters have proved extraordinarily valuable, opening new windows on information processing in single neurons and small networks.
Thuốc nhuộm cũng có thể tiết lộ hoạt động kích thích của neuron bằng cách phản ứng không với sự thay đổi điện áp mà với dòng chảy của các nguyên tử mang điện cụ thể, hay còn gọi là ion. Khi một neuron tạo ra thế năng hành động, các kênh màng mở ra và cho phép ion canxi đi vào tế bào. Sự dồn canxi này kích thích việc giải phóng các chất dẫn truyền thần kinh. Năm 1980, Roger Y. Tsien – hiện đang công tác tại Đại học California, San Diego – đã bắt đầu tổng hợp các thuốc nhuộm có thể chỉ ra sự thay đổi nồng độ canxi bằng cách thay đổi độ sáng huỳnh quang của chúng. Những “báo cáo quang học” này đã chứng tỏ vô cùng quý giá, mở ra những cánh cửa mới cho việc xử lý thông tin trong các neuron đơn lẻ và các mạng lưới nhỏ.
F. Synthetic dyes suffer from a serious drawback, however. Neural tissue is composed of many different cell types. Estimates suggest that the brain of a mouse, for example, houses many hundreds of types of neurons plus numerous kinds of support cells. Because interactions between specific types of neurons form the basis of neural information processing, someone who wants to understand how a particular circuit works must be able to identify and monitor the individual players and pinpoint when they turn on (fire an action potential) and off. But because synthetic dyes stain all cell types indiscriminately, it is generally impossible to trace the optical signals back to specific types of cells.
Tuy nhiên, thuốc nhuộm tổng hợp gặp phải một nhược điểm nghiêm trọng. Mô thần kinh bao gồm nhiều loại tế bào khác nhau. Ước tính cho thấy, ví dụ, bộ não của một con chuột chứa hàng trăm loại neuron cùng với vô số loại tế bào hỗ trợ. Vì sự tương tác giữa các loại neuron cụ thể tạo thành cơ sở cho quá trình xử lý thông tin thần kinh, nên để hiểu được cách hoạt động của một mạch cụ thể, người ta phải có khả năng xác định và giám sát các “người chơi” riêng lẻ cũng như xác định chính xác thời điểm chúng được kích hoạt (tạo ra thế năng hành động) và tắt. Nhưng do thuốc nhuộm tổng hợp nhuộm tất cả các loại tế bào một cách không phân biệt, nên về cơ bản, không thể truy vết các tín hiệu quang học về các loại tế bào cụ thể.
G. Optogenetics emerged from the realization that genetic manipulation might be the key to solving this problem of indiscriminate staining. An individual’s cells all contain the same genes, but what makes two cells different from each other is that different mixes of genes get turned on or off in them. Neurons that release the neurotransmitter dopamine when they fire, for instance, need the enzymatic machinery for making and packaging dopamine. The genes encoding the protein components of this machinery are thus switched on in dopamine producing (dopaminergic) neurons but stay off in other, non-dopaminergic neurons. In theory, if a biological switch that turned a dopamine-making gene on was linked to a gene encoding a dye and if the switch-and-dye unit were engineered into the cells of an animal, the animal would make the dye only in dopaminergic cells. If researchers could peer into the brains of these creatures (as is indeed possible), they could see dopaminergic cells functioning in virtual isolation from other cell types. Furthermore, they could observe these cells in the intact, living brain. Synthetic dyes cannot perform this type of magic, because their production is not controlled by genetic switches that flip to “on” exclusively in certain kinds of cells. The trick works only when a dye is encoded by a gene—that is, when the dye is a protein.
Optogenetics xuất phát từ nhận thức rằng thao tác di truyền có thể là chìa khóa giải quyết vấn đề nhuộm không phân biệt này. Tất cả các tế bào của một cá thể đều chứa cùng một bộ gen, nhưng điều khiến hai tế bào khác nhau chính là do các hỗn hợp gene khác nhau được bật hoặc tắt trong chúng. Ví dụ, các neuron giải phóng chất dẫn truyền thần kinh dopamine khi kích hoạt cần có bộ máy enzym để sản xuất và đóng gói dopamine. Do đó, các gene mã hóa thành phần protein của bộ máy này được bật ở những neuron sản xuất dopamine (neurons dopaminergic) nhưng lại ở trạng thái tắt ở các neuron không sản xuất dopamine. Về lý thuyết, nếu một công tắc sinh học có khả năng bật một gene tạo dopamine được liên kết với một gene mã hóa thuốc nhuộm, và nếu đơn vị công tắc-kết hợp-thuốc nhuộm đó được cấy vào các tế bào của một con vật, thì con vật đó sẽ chỉ sản xuất thuốc nhuộm ở các tế bào dopaminergic. Nếu các nhà nghiên cứu có thể “nhìn thấu” vào bộ não của những sinh vật này (như thực sự có thể làm được), họ sẽ thấy các tế bào dopaminergic hoạt động như thể được cô lập hoàn toàn khỏi các loại tế bào khác. Hơn nữa, họ có thể quan sát được các tế bào này trong bộ não sống, nguyên vẹn. Thuốc nhuộm tổng hợp không thể tạo ra loại “phép màu” này, vì việc sản xuất chúng không được điều khiển bởi các công tắc di truyền chuyển sang trạng thái “bật” chỉ dành riêng cho một số loại tế bào nhất định. Cách thức này chỉ hiệu quả khi một thuốc nhuộm được mã hóa bởi một gene – tức là, khi thuốc nhuộm đó là một protein.
H. The first demonstrations that genetically encoded a decade ago, from teams led independently by Tsien, Ehud Y. Isacoff of the University of California, Berkeley with James E. Rothman, now at Yale University. In all cases, the gene for the dye was borrowed from a luminescent marine organism, typically a jellyfish that makes the so-called green fluorescent protein. Scientists tweaked the gene so that its protein product could detect and reveal the changes in voltage or calcium that underlie signaling within a cell, as well as the release of neurotransmitters that enable signaling between cells.
Những minh chứng đầu tiên về thuốc nhuộm được mã hóa di truyền đã được trình diễn cách đây một thập kỷ, đến từ các nhóm nghiên cứu được lãnh đạo độc lập bởi Tsien, Ehud Y. Isacoff của Đại học California, Berkeley cùng với James E. Rothman, hiện đang công tác tại Đại học Yale. Trong tất cả các trường hợp, gene mã hóa thuốc nhuộm đều được mượn từ một sinh vật biển phát huỳnh quang, thường là một loại sứa sản xuất cái gọi là protein huỳnh quang xanh. Các nhà khoa học đã điều chỉnh gene này sao cho sản phẩm protein của nó có thể phát hiện và tiết lộ những thay đổi về điện áp hoặc nồng độ canxi nằm gốc rễ của quá trình truyền tín hiệu bên trong tế bào, cũng như việc giải phóng các chất dẫn truyền thần kinh cho phép tín hiệu được truyền giữa các tế bào.