»And the Oscar goes to … optogenetik!«

Man kan kalde den hjerneforskningens svar på en Oscar-statuette. Den årlige ’The Brain Prize’ er verdens største hjerneforskningspris og lyder på en million euro. Og så er den oven i købet dansk.

I 2013 er prisen gået til seks ledende forskere og udviklere af optogenetikken. Den kun 10 år gamle teknologi giver et langt mere præcist indblik i hjernens kringlede kredsløb af celler end tidligere muligt. Det er kredsløb, der afgør, hvordan vi tænker, føler og handler. Teknologien er derfor også bedømt til at være årtiets opdagelse af tidskriftet Science.

Men hvad er optogenetik, og hvad kan den præcis forklare? Det har vi spurgt den østrigske professor Gero Miesenböck om. Han er en af pionererne bag optogenetik.

»Traditionelt har man brugt elektroder og elektricitet til at aktivere et cellenetværk i hjernen og derefter studere effekten på forsøgspersonen eller forsøgsdyret. Men strøm er en upræcis metode, der rammer alle typer celler omkring elektroden,« siger Gero Miesenböck, professor og direktør for Center for Neurale Kredsløb og Adfærd ved Oxfords University.

»Med optogenetik kan man derimod målrette aktiveringen til bestemte celler og celletyper ved at gøre nogle celler lysfølsomme og derefter bruge lys til at tænde og slukke for cellerne. På den måde kan man få en langt mere præcis effekt og konkludere med større sikkerhed, hvad funktionen af disse celler er,« fortæller professor Gero Miesenböck.

Forskerne bruger genterapi til at gøre bestemte celler og cellenetværk i hjernen følsomme over for lys. Derefter indopererer forskerne et ultratyndt lyslederkabel i hjernen på forsøgsdyret.

Det gør, at forskere studerer de enkelte cellekredsløbs funktioner og effekter med langt større præcision og får langt større indsigt i for eksempel sygdomme og lidelser i hjernen.

Medicin med færre bivirkninger

Det første optogenetiske eksperiment på dansk jord blev gennemført oktober sidste år, og i øjeblikket er der kun én dansk forsker, som bruger metoden i sin forskning.

Det er erhvervs-ph.d. studerende Nanna Hovelsø fra Københavns Universitet. Hun lærte selv at bruge optogenetik under et forskningsophold i USA og forventer, at teknologien vil gøre os klogere på hjernens mange mulige lidelser.

»Optogenetik vil eksempelvis kunne bruges til udvikle bedre medicin mod Parkinsons, Alzheimers og depression, men vil også hjælpe os til at behandle lidelser som afhængighed og aldersrelateret blindhed,« siger Nanna Hovelsø, ph.d.-studerende ved Institut for Neurovidenskab og Farmakologi, Københavns Universitet, og medicinalvirksomheden Lundbeck.

Medicinen, der udvikles med afsæt i optogenetik, vil have langt færre bivirkninger, da medicinen i langt højere grad vil ramme specifikt de celler, som er involveret i lidelsen.

»Optogenetik har allerede nu vist, at vi ved at tænde eller slukke for aktiviteten af dopaminceller i forskellige hjerneområder får forskellige adfærdsændringer i dyr. På den måde giver optogenetik os et større indblik i de mange forskellige funktioner af dopamincellerne og dermed også et større indblik i de mange neurologiske og psykiatriske lidelser, der involverer dopaminceller,« siger ph.d.-studerende Nanna Hovelsø, der selv undersøger de neurale mekanismer bag skizofreni.

En chance for at forstå fluens hjerne

Professor Gero Miesenböck arbejder til dagligt med bananfluer. Bananfluen kræver ikke et indopereret lyslederkabel i hjernen. I stedet kan et skarpt lys uden for fluen være nok til at aktivere de lysfølsomme celler i fluen. Men har sådan nogle fluer egentlig en hjerne, og hvordan kan de bruges til at forstå vores?

»Bananfluer har små hjerner, der er i stand til at lave vidunderligt komplicerede udregninger og tage valg på baggrund af erfaringer, den har gjort,« siger professor Gero Miesenböck og fortsætter:

»Vores studier viser, at de samme matematiske modeller, der kan bruges til at beskrive menneskelige og ikke-menneskelige primaters måder at tage valg på, også kan bruges til at beskrive en bananflues valg.«

Det lader til, ifølge Gero Miesenböck, at der er en fundamental måde, hvorpå neurologiske og biologiske mekanismer fungerer. Og hos en flue har forskere faktisk en chance for at forstå, hvordan enkelte kredsløb fungerer, da deres hjerner rummer færre cellenetværk end vores.

Bananfluer kan lære at modstå bananer

Men trods dens lille hjerne, så er fluen tilsyneladende i stand til at lære og tage valg ud fra erfaring. Det viser forskningen allerede.

»Vores data fra adfærdsstudier viser, at når en bananflue er sat over for et valg, så reflekterer og overvejer den de forskellige faktorer involveret,« siger professor Gero Miesenböck.

»For eksempel lærer vi en flue, at en lugt er dårlig ved at aktivere bestemte celler, der tilsyneladende varetager fluens kritiske valg. Så når fluen flyver mod lugtens kilde, så tænder vi lyset og får fluen til at opleve, at lugten er dårlig. Det husker fluen og forbinder derefter lugten med noget dårligt. Vi kan med andre ord lære bananfluer, at de skal holde sig fra bananerne.«

Professor Gero Miesenböck og hans kollegaer genmodificerer forskellige neurale netværk til at aktiveres ved lys. Hans ønske og forventning til fremtidens optogenetik er at kunne kontrollere mange neurale netværk på én gang med forskellige lysfrekvenser.

»For virkelig at forstå en hjernes vidunder, skal man kunne aktivere mange netværk på én gang og i forlængelse af hinanden, som var det musiske akkorder og arrangementer,« siger den østrigske professor og tilføjer, at når vi kan det, så vil vi måske også komme til at kunne forstå, hvordan bevidsthed opstår og endda også skabe den.

Optogenetik havde en svær start

Forskerne bag teknologien modtager efterhånden anerkendelse fra alle videnskabens verdenshjørner for deres arbejde, men sådan har det ikke altid været. For 10 år siden var det umuligt at få penge til at udvikle og forske i optogenetik. Professor Gero Miesenböck måtte finansiere forskningen med midler fra andre projekter og havde svært ved at få udgivet resultaterne.

»Vores første artikel blev med det samme afvist af Nature (videnskabeligt tidsskrift, red.), og en anmelder misforstod fuldstændig pointen med optogenetik. Generelt var der meget skepsis i det videnskabelige miljø, så nu er det selvfølgelig fantastisk endelig at få anerkendelse for sit arbejde,« siger professor Gero Miesenböck.

Optogenetik vinder nu hurtigt popularitet inden for hjerneforskningen, og det oplever professor Gero Miesenböck selv.

»I dag sidder jeg selv og evaluerer støtteansøgninger til forskning for fonden Wellcome Trust, og mindst halvdelen af dem har et element af optogenetik i sig. Det er altid den oprindelige udvikling, som er svær at finde støtte til,« fortæller professor Gero Miesenböck og glæder sig over, at den svære periode er overstået.