Upptäckten kastar ljus över hjärnans mysterier: ”Det finns ett före och ett efter”

– Det fanns inget sätt att testa: ”Vad händer med ett beteende om jag aktiverar den här typen av nervceller? Eller stoppar aktiviteten i den här nervcellstypen?” Med optogenetiken blev det möjligt att göra just det – att slå på eller stänga av aktiviteten i specifika nervceller och se hur beteendet förändrades, säger Konstantinos Meletis, professor vid institutionen för neurovetenskap, Karolinska Institutet, som också har samarbetat med Karl Deisseroth, tidigare anknuten till Karolinska Institutet. 

Forskarna kunde alltså gå från korrelation till kausalitet: från att se att en nervcell är aktiv när ett visst beteende uppstår, till att testa om aktiviteten i nervcellen faktiskt orsakar beteendet.

– Det är så otroligt fundamentalt, så avgörande för hjärnforskningen. Man kan dela upp neurovetenskapens historia i ett före och ett efter den här upptäckten. Optogenetiken har helt transformerat vad som är möjligt att göra, säger Konstantinos Meletis.

Från alger till nervceller

Historien bakom årets Nobelpris tog fart i början av 1990-talet då den tyske forskaren Peter Hegemann började intressera sig för hur den encelliga algen Chlamydomonas kan detektera och simma mot ljus.

Tillsammans med den andre Nobelpristagaren, George Nagel – även han från Tyskland, lyckades forskarna under 2000-talet identifiera en ljuskänslig typ av protein hos algen som fick namnet Channelrhodopsin. 

De upptäckte att när blått ljus träffade proteinet så öppnades en kanal i cellmembranet. Elektriskt laddade partiklar, så kallade joner, kunde då strömma in och skapa en elektrisk signal i cellen.  En central upptäckt var att forskarna kunde få samma protein och mekanism att fungera även i andra typer av celler.

Och därifrån kom nästa stora idé.

Den amerikanske forskaren Karl Deisseroth insåg att proteinet Channelrhodopsin skulle kunna användas för att styra nervceller.

Forskarna förde in genen för proteinet Channelrhodopsin i nervceller som odlades i ett labb, vilket ledde till att det ljuskänsliga proteinet bildades på nervcellernas yta. När nervcellerna belystes med blått ljus öppnades jonkanalerna och nervcellerna började generera och skicka elektriska signaler, precis som nervceller gör naturligt i hjärnan.

De hade alltså skapat något som liknade en ljusstyrd strömbrytare för nervceller.

Två år senare kunde Karl Deisseroth och hans kollegor använda tekniken för att styra nervceller i hjärnan hos levande möss.

Optogenetiken har sedan dess blivit ett centralt verktyg inom neurovetenskapen. Genom att kontrollera specifika nervceller kan forskare undersöka hur hjärnans olika kretsar påverkar exempelvis rörelse, minne, känslor och beteenden.

Tekniken undersöks också som en möjlig grund för framtida behandlingar.

– Redan nu används tekniken för att försöka återställa synen hos personer som är blinda. Förhoppningen är att den även ska kunna användas som ett verktyg för att behandla neurologiska sjukdomar som Parkinsons sjukdom och Alzheimers sjukdom eller psykiatriska sjukdomar som depression, ångest och PTSD, säger Konstantinos Meletis.

Ett samarbete som spreds över världen

Omkring 2008 var Konstantinos Meletis postdoktor vid MIT i USA tillsammans med Marie Carlén, numera professor vid institutionen för neurovetenskap, Karolinska Institutet. Där samarbetade de med Karl Deisseroths labb vid Stanford University. Det blev början på ett långvarigt vetenskapligt arbete. Deisseroth har bjudits in flera gånger till Karolinska Institutet och var anknuten forskare mellan 2013 och 2019.