Przełom w badaniach nad mózgiem. Tegoroczny Nobel przyznany za prace nad optogenetyką

Od wieków naukowcy próbowali rozwikłać zagadkę, jak mózg przechowuje wspomnienia, generuje uczucia czy steruje zachowaniem. To właśnie zbadali tegoroczni laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. Została ona przyznana trzem naukowcom: Karlowi Deisserothowi, Peterowi Hegemannowi i Georgowi Nagelowi.

Ogłoszenie laureatów tegorocznej Nagrody Nobla z dziedziny medycyny; 05.10.2026; fot. JONATHAN NACKSTRAND /AFP/East News

Karl Deisseroth, Peter Hegemann i Georg Nagel - to do tych badaczy trafiła Nagroda Nobla 2026 w dziedzinie medycyny. Jak podkreśla przeznający wyróżnienie Instytut Karoliński w Sztokholmie, to narzędzie otworzyło zupełnie nowe możliwości poznania mechanizmów powstawania wspomnień, emocji i zachowań, a także zrozumienia chorób psychicznych i neurologicznych.

Od wieków naukowcy próbowali rozwikłać zagadkę, jak mózg przechowuje wspomnienia, generuje uczucia czy steruje zachowaniem. Przełomem było odkrycie, że różne obszary mózgu odpowiadają za konkretne funkcje, jednak dotychczasowe metody badawcze były zbyt ogólne, by wskazać, które dokładnie typy komórek nerwowych odpowiadają za określone procesy. Marzeniem badaczy stało się stworzenie rodzaju przełącznika pozwalającego kontrolować aktywność pojedynczych neuronów. Już w latach 70. XX wieku Francis Crick, laureat Nagrody Nobla za odkrycie struktury DNA, sugerował, że światło mogłoby być idealnym narzędziem do takiej kontroli, jeśli tylko uda się sprawić, by komórki nerwowe na nie reagowały.

Początki tej rewolucji sięgają lat 90., kiedy Peter Hegemann z Max Planck Institute for Biochemistry zaczął badać, jak jednokomórkowe glony z rodziny zawłotniowatych (Chlamydomonas) potrafią bardzo szybko reagować na światło. Glony te poruszają się w kierunku źródła światła, korzystając z tzw. oczka, organelli zawierającej światłoczuły barwnik. Hegemann, mierząc impulsy elektryczne w glonach, odkrył, że reakcja na światło następuje w zaledwie pół milisekundy, ponad dwadzieścia razy szybciej niż w ludzkim oku. Wysunął hipotezę, że za ten błyskawiczny efekt odpowiada pojedyncze białko, które jednocześnie wychwytuje światło i działa jak kanał jonowy.

Przez lata poszukiwał tego białka, napotykając liczne trudności. Przełom nastąpił, gdy zsekwencjonowano genom Chlamydomonas i zidentyfikowano dwa geny kodujące potencjalnie światłoczułe białka. Hegemann zwrócił się o pomoc do Georga Nagela z University of Würzburg, specjalisty od badania białek w komórkach jaj żaby. Nagel wprowadził geny glonu do komórek żabich, które zaczęły produkować nowe białka. Okazało się, że jedno z nich, tzw. channelrhodopsin-2, rzeczywiście działa jak kanał jonowy otwierający się pod wpływem światła.

Odkrycie channelrhodopsin-2 otworzyło drzwi do dalszych eksperymentów. Hegemann i Nagel wprowadzili gen kodujący to białko do komórek nerek człowieka i chomika, które po tej modyfikacji stały się światłoczułe, pod wpływem światła generowały sygnał elektryczny. Wyniki tych badań opublikowano w 2003 roku, sugerując, że channelrhodopsin-2 może być narzędziem do wywoływania impulsów elektrycznych w dowolnych komórkach za pomocą światła.

W tym samym czasie Karl Deisseroth, młody lekarz i naukowiec ze Stanford University, zetknął się z problemami pacjentów psychiatrycznych i zrozumiał, jak mało wiadomo o funkcjonowaniu mózgu w chorobach takich jak depresja czy schizofrenia. Postanowił poszukać narzędzi pozwalających badać aktywność konkretnych neuronów w żywym mózgu. Gdy dowiedział się o channelrhodopsin-2, poprosił Nagela o udostępnienie genu. Wprowadził go do hodowanych neuronów szczura i odkrył, że pod wpływem światła komórki natychmiast generują sygnał nerwowy. W 2005 roku zespół Deisserotha opublikował przełomowe wyniki – po raz pierwszy udało się kontrolować aktywność neuronów ssaków za pomocą światła. Kolejnym krokiem było przeniesienie tej techniki do żywych zwierząt.

W 2006 roku nowa metoda otrzymała nazwę optogenetyka. Już rok później zespół Deisserotha zdołał precyzyjnie aktywować wybrane neurony w mózgu myszy, wprowadzając do nich gen channelrhodopsin-2 i naświetlając je światłowodem. W ten sposób kontrolowano ruch wąsów myszy. W kolejnych eksperymentach udało się wywoływać przebudzenie śpiących myszy, aktywując odpowiednie komórki nerwowe, a także odtwarzać konkretne wspomnienia, na przykład wywoływać u myszy strach, aktywując te same neurony, które odpowiadały za pamięć o niebezpiecznym doświadczeniu.

Jak podkreśla Instytut Karoliński, optogenetyka zrewolucjonizowała neuronaukę. Dzięki niej naukowcy mogą precyzyjnie badać, które typy neuronów odpowiadają za różne funkcje, od odczuwania bólu, przez zachowania społeczne, po regulację rytmu dobowego czy reakcje immunologiczne. Umożliwiło to również poznanie mechanizmów złożonych zachowań, takich jak opieka nad potomstwem u myszy, gdzie różne elementy zachowania są kontrolowane przez odrębne obwody nerwowe.

Metoda ta znajduje też coraz częściej zastosowanie nie tylko w badaniach mózgu, ale także innych narządów. Udowodniono na przykład, że rytm serca może wpływać na emocje, a określone komórki w jelitach tłumaczą, dlaczego niektórzy ludzie wolą cukier od słodzików.

Optogenetyka daje także nadzieję na nowe terapie. Trwają badania kliniczne nad przywracaniem wzroku osobom niewidomym z powodu retinopatii barwnikowej. Po wprowadzeniu białka channelrhodopsin-2 do siatkówki i zastosowaniu specjalnych okularów emitujących światło, pacjenci odzyskują częściową zdolność widzenia. Trwają także prace nad udoskonaleniem implantów ślimakowych, które mogłyby precyzyjniej stymulować nerw słuchowy właśnie dzięki światłu.