Hvordan kan en mikroskopisk alge finde vej mod lyset? Det spørgsmål blev begyndelsen på en opdagelse, som har givet forskere verden over et nyt redskab til at undersøge hjernen.
Amerikanske Karl Deisseroth og tyske Peter Hegemann og Georg Nagel modtager Nobelprisen i fysiologi eller medicin 2026 for deres opdagelser af lysstyrede ionkanaler og udviklingen af optogenetik. Det meddeler Nobelforsamlingen ved Karolinska Institutet.
Optogenetik gør det muligt at tænde eller dæmpe aktiviteten i udvalgte nerveceller ved hjælp af lys. Forskerne kan dermed undersøge, hvad cellerne faktisk gør: Får de et dyr til at vågne? Sætter de en bevægelse i gang? Eller får de et minde om en skræmmende oplevelse til at dukke op igen?
Metoden har især fået betydning i dyreforsøg, hvor den har åbnet nye muligheder for at forstå både hjernens normale funktioner og de mekanismer, der er involveret i psykiske og neurologiske sygdomme.
Historien begynder hos Peter Hegemann, som i begyndelsen af 1990’erne undersøgte den encellede grønalge Chlamydomonas. Algen registrerer lys med en lille øjeplet og kan svømme hen mod en lyskilde.
Hegemann målte algens elektriske reaktion på lys og opdagede, at den reagerede usædvanligt hurtigt. Han fik derfor en idé: Måske kunne ét og samme protein både opfange lyset og åbne en kanal ind i cellen.
En sådan kanal lader elektrisk ladede partikler, ioner, passere gennem cellemembranen. Når ionerne bevæger sig ind eller ud, ændres cellens elektriske tilstand. Det er også en vigtig del af den måde, nerveceller sender signaler på.
Det tog flere års arbejde at komme videre. Da Hegemanns forskergruppe fandt to lovende gener fra algen, kontaktede han Georg Nagel. Nagel undersøgte proteiner ved at få frøers ægceller til at fremstille dem.
Forsøgene viste, at Hegemanns idé holdt: Generne fik ægcellerne til at danne proteiner, som åbnede ionkanaler, når de blev belyst. Proteinerne fik navnene channelrhodopsin-1 og channelrhodopsin-2.
Især channelrhodopsin-2 blev afgørende. Hegemann og Nagel viste, at det også kunne gøre andre celler lysfølsomme, og offentliggjorde resultaterne i 2003.
På Stanford University i USA så Karl Deisseroth mulighederne. Han var både læge og hjerneforsker, og mødet med patienter i psykiatrien havde skærpet hans interesse for, hvorfor hjernen kunne fungere så forskelligt fra menneske til menneske.
Hans forskergruppe indførte genet for channelrhodopsin-2 i nerveceller fra rotter. Cellerne begyndte at fremstille algens protein, og da forskerne belyste dem med blåt lys, udsendte de nervesignaler. Resultatet blev offentliggjort i 2005.
To år senere lykkedes det at bruge metoden i hjernen hos levende mus. Forskerne gjorde udvalgte nerveceller i hjernens bevægelsesområde lysfølsomme og førte lyset ind gennem en tynd optisk fiber. Når de tændte lyset, bevægede musene deres knurhår.
Mus kunne vækkes, og minder kunne aktiveres
Det afgørende ved optogenetik er, at forskerne kan gribe ind i bestemte nervecellers aktivitet og undersøge virkningen. Det giver mulighed for at afprøve årsagssammenhænge frem for alene at registrere, at en del af hjernen er aktiv samtidig med en bestemt adfærd.
I 2007 brugte Deisseroth og andre forskere eksempelvis metoden til at undersøge nerveceller, som de mente styrede vågenhed. Når cellerne blev aktiveret med lys, vågnede sovende mus.
I et andet forsøg, offentliggjort i 2012, undersøgte forskere nerveceller, der blev aktive, mens mus oplevede frygt. Da de senere aktiverede de samme celler med lys, viste musene tegn på frygt, selv om de ikke befandt sig i fare. Forsøget viste, at aktivering af bestemte celler kunne fremkalde en reaktion knyttet til et tidligere minde.
Siden har forskere brugt optogenetik til at undersøge nervekredsløb med betydning for blandt andet smerte, tørst, fødeindtag, belønning, opmærksomhed og social adfærd.
Metoden har også vist, at forskellige dele af en adfærd kan styres af forskellige kredsløb. Hos mus kan ét kredsløb eksempelvis styre, at de samler deres unger i reden, mens et andet styrer, at de plejer dem.
De første forsøg på behandling
Optogenetik har givet ny viden om mekanismer, der er involveret i blandt andet depression, angst, skizofreni, Alzheimers sygdom og Parkinsons sygdom. Den viden kan bidrage til udviklingen af nye behandlinger.
Der er også taget de første skridt til at bruge selve metoden som behandling. I kliniske forsøg undersøger forskere, om lysfølsomme proteiner kan hjælpe mennesker, der har mistet synet på grund af retinitis pigmentosa. Det er en sygdom, som ødelægger nethindens lysfølsomme celler, stavene og tappene.
Ifølge Nobelkomitéens populærvidenskabelige gennemgang har en blind person fået en del af synsfunktionen tilbage, efter at forskere indførte et lysfølsomt protein i nethinden. Med særlige briller, som udsendte lys, kunne personen skelne genstande på et bord og gribe efter dem.
Forskerne håber også, at optogenetik på sigt kan forbedre høreimplantater ved at stimulere hørenerven mere præcist. Det er fortsat en mulig fremtidig anvendelse.
Peter Hegemann er tilknyttet Humboldt-universitetet i Berlin, Georg Nagel universitetet i Würzburg og Karl Deisseroth Stanford University og Howard Hughes Medical Institute i USA.
De tre forskere deler prissummen på 12 millioner svenske kroner ligeligt.
