Aivojen aktivointi valolla: vuoden 2026 fysiologian tai lääketieteen Nobel-palkinto

5. lokakuuta Karolinska Institutetin Nobel-kokous ilmoitti, että vuoden 2026 fysiologian tai lääketieteen Nobel-palkinto myönnetään Karl Deisserothille, Peter Hegemannille ja Georg Nagelille heidän valoherkistä ionikanavista ja optogeneettisistä tutkimuksistaan. Optogenetiikka on menetelmä, jonka avulla tutkijat voivat valon avulla kytkeä yksittäisiä hermosoluja päälle tai pois päältä elävässä aivoissa, ja sitä on käytetty tutkimaan, miten neuronit synnyttävät muistoja, tunteita ja käyttäytymistä. Tarina alkaa vihreästä levästä, joka ui kohti aurinkoa. Miten lampi-eliöstä päädyttiin Nobelin palkintoperusteluihin, ja mitä se on tähän mennessä muuttanut ihmisten elämässä?

Vuonna 1979 kirjoitettu toive

Ihmisen aivoissa on noin 86 miljardia monenlaista hermosolua, jotka ovat tiiviisti vierekkäin ja kytkeytyneet toisiinsa tavoilla, joita yritämme yhä ymmärtää. Suurimman osan 1900-luvusta tutkijat pystyivät kuuntelemaan näitä soluja elektrodeilla tai stimuloimaan niitä sähkövirralla. Elektrodin ongelmana on, että se virittää kaiken, mikä on sen ulottuvilla, olipa kyseessä sitten tutkittava solu, sen naapurit tai sattumalta sen läpi kulkevat kuidut. Vuonna 1979 Francis Crick kirjoitti, että neurotieteiden suuri este oli se, ettei ollut keinoa ohjata yhtä hermosolutyyppiä jättämättä muita rauhaan. Myöhemmin hän ehdotti, että valo voisi sopia tähän tehtävään, sillä valonsäde voidaan suunnata kohteeseen ja kytkeä päälle ja pois millisekunneissa. Neuronit eivät kuitenkaan reagoi valoon. Jonkun olisi annettava niille tämä kyky.

Valoa aistiva levä

Peter Hegemann vietti suuren osan uransa alkuvaiheista pohtimalla, miten yksisoluinen vihreä levä Chlamydomonas reinhardtii löytää valon. Solulla on pieni silmäpiste, ja se ui kohti kohtuullista valoa, joka ruokkii sen fotosynteesiä, ja poispäin liian voimakkaasta valosta. Hegemann ja hänen kollegansa havaitsivat, että levä reagoi millisekunneissa, paljon nopeammin kuin kemiallisten reaktioiden ketju sallisi. Tuo nopeus viittasi siihen, että valosensori oli itse asiassa sähköinen portti solukalvossa.

Noin vuonna 2000 levän genomin sekvenssit alkoivat ilmestyä julkisiin tietokantoihin. Hegemann ja Georg Nagel, biofyysikko, joka tutki ionikanavia Frankfurtissa Ernst Bambergin kanssa, löysivät kaksi geeniä, jotka muistuttivat mikro-organismien valoherkkiä pigmenttejä. Nagel sijoitti ne sammakonmuniin ja viljeltyihin ihmisen soluihin, sytytti lampun ja mittasi sähkövirtaa. Ensimmäinen proteiini, joka kuvattiin vuonna 2002, päästi protonit läpi. Toinen, vuonna 2003 julkaistu ja nimeltään channelrhodopsin-2, avautui sinisen valon vaikutuksesta ja päästi positiivisesti varautuneita ioneja, kuten natriumia, virtaamaan soluun.

Yksinkertaisesti sanottuna neuronit kommunikoivat keskenään sähköimpulssien avulla, jotka syntyvät, kun ionit virtaavat niiden kalvon kanavien läpi. Kanavarodopsiini on kanava, jossa on valoherkkä lukko. Sininen valo avaa sen, jolloin ionit pääsevät sisään, ja jos niitä tulee tarpeeksi, neuroni laukeaa.

Kirjoittaja: Buchen, L. Neuroscience: Illuminating the brain. Nature 465, 26–28 (2010). https://doi.org/10.1038/465026a;

Uteliaisuudesta työkaluksi

Karl Deisseroth, psykiatri ja biotekniikan insinööri Stanfordissa, hoiti masennuksesta ja muista häiriöistä kärsiviä potilaita ja tiesi, kuinka vähän alalla tiedettiin kyseessä olevista hermosolujen piireistä. Vuonna 2005 hänen laboratoriossaan, jossa Edward Boyden ja Feng Zhang olivat mukana tekijöinä, siirrettiin kanavarodopsiini-2-geeni nisäkkäiden hermosoluihin viruksen avulla. Kun sinisen valon pulssit osuivat soluihin, ne aktivoituivat millisekunnin tarkkuudella ja vaikenivat, kun valo loppui. Tulokset julkaistiin Nature Neuroscience -lehdessä, joka on yksi alan arvostetuimmista julkaisuista.

Löydöstä työkalun teki geneettinen kohdentaminen. Kiinnittämällä geenin säätösekvensseihin, jotka ovat aktiivisia vain yhdessä solutyypissä, tutkijat varmistivat, että vain kyseiset solut tuottivat proteiinia. Valoa voidaan sitten ohjata hiirelle kalloon istutetun optisen kuidun kautta, ja vain merkityt solut reagoivat siihen. Myöhemmissä tutkimuksissa lisättiin proteiineja, jotka vaimentavat neuroneja niiden virittämisen sijaan, sekä muunnoksia, jotka reagoivat muihin väreihin ja avautuvat nopeammin tai hitaammin. Kun käytettävissä oli sekä päälle- että pois-kytkin, voitiin testata, onko piiri välttämätön tietyn käyttäytymisen kannalta ja riittääkö se sen laukaisemiseen.

Mitä kytkin on osoittanut

Mitä oppii, kun voi aktivoida kourallisen soluja? Vuonna 2007 valon kohdistaminen hypotalamuksen oreksiinia tuottaviin neuroneihin herätti nukkuvat hiiret. Vuonna 2012 Susumu Tonegawan ryhmä merkitsi neuronit, jotka olivat aktiivisia, kun hiiret oppivat pelkäämään tiettyä kammiota. Näiden solujen uudelleenaktivointi valolla sai eläimet jähmettymään toisessa, vaarattomassa kammiossa, mikä osoitti, että muisti voidaan aktivoida keinotekoisesti. Parkinsonin taudin malleissa Deisserothin laboratorio raportoi vuonna 2009, että aivokuoresta tulevien yhteyksien stimuloiminen lievitti oireita – tämä antoi vihjeen siitä, miten syväaivostimulaatio, jota jo käytetään potilaiden hoidossa, saattaa saavuttaa vaikutuksensa.

Samaa logiikkaa on sovellettu ahdistukseen, ruokailuun, kipuun, riippuvuuteen ja sosiaaliseen käyttäytymiseen. Jokainen koe yhdistää tietyn käyttäytymisen määriteltyyn soluryhmään, ja juuri tätä yhteyttä lääke tai kirurginen kohde tarvitsee.

Kirjoittaja: Buchen, L. Neuroscience: Illuminating the brain. Nature 465, 26–28 (2010). https://doi.org/10.1038/465026a;

Hiiristä potilaisiin

Kliininen käyttö on paljon uudempaa. Vuonna 2021 José-Alain Sahelin ja Botond Roskan johtama tutkimusryhmä raportoi Nature Medicine -lehdessä retinitis pigmentosasta sokeutuneesta miehestä, joka sai osan näkökyvystään takaisin. Virus oli kuljettanut kanavarodopsiinin muunnoksen hänen verkkokalvonsa soluihin, ja hän käytti suojalaseja, jotka muunsivat kamerakuvat keltaisen valon pulsseiksi. Kuukausien harjoittelun jälkeen hän pystyi paikantamaan ja laskemaan pöydällä olevia esineitä sekä kuulemma erottamaan suojatien raidat. Göttingenissä toimivan Tobias Moserin kaltaiset tutkijat kehittävät optisia sisäkorvaimplantteja, jotka voisivat erottaa äänitaajuudet tarkemmin kuin nykyisin käytössä olevat sähkölaitteet.

Rajoitukset ovat huomattavat. Verkkokalvotutkimuksen tulos koskee yhtä potilasta ja osittaista näön palautumista. Ihmisen aivojen syvällä sijaitseviin hermosoluihin pääseminen edellyttää geeniterapiaa ja kudokseen sijoitettua valonlähdettä, ja molempiin liittyy riskejä, joita hiiritutkimuksessa ei tarvitse ottaa huomioon. Optogenetiikka on toistaiseksi paljon enemmän laboratorioväline kuin hoitomuoto.

Palkinto, jossa on kolme nimeä

Nobel-palkinto voidaan myöntää enintään kolmelle voittajalle, mutta tässä tarinassa on mukana useampia henkilöitä. Ernst Bamberg teki yhteistyötä Nagelin kanssa kokeissa, joissa kanavarodopsiini karakterisoitiin. Edward Boyden oli mukana vuonna 2005 julkaistussa artikkelissa, jossa proteiini tuotiin hermosoluihin. Gero Miesenböck oli osoittanut vuonna 2002, että valoherkkiä proteiineja kantavia kärpäsen hermosoluja voitiin ohjata valolla käyttämällä erilaista geenijoukkoa. Mitkä löydökset ansaitsevat paikan palkintolavalla, on kysymys, johon Nobel-komitea vastaa joka vuosi, ja joka vuosi vastaus jättää kollegoita salin ulkopuolelle.