Året i biologi

Vores minder er hjørnestenen i vores identitet. Deres betydning er en stor del af det, der gør Alzheimers sygdom og andre former for demens så grusom og gribende. Det er derfor, vi så desperat har håbet på, at videnskaben kan levere en kur mod Alzheimers, og derfor er det så frustrerende og tragisk, at nyttige behandlinger har været langsom til at dukke op. Stor begejstring omgav derfor meddelelsen i september om, at et nyt lægemiddel, lecanemab, bremsede sygdommens udvikling i kliniske forsøg. Hvis det godkendes af Food and Drug Administration, bliver lecanemab kun den anden Alzheimer-behandling, der modvirker amyloid-beta-protein, som i vid udstrækning formodes at være årsagen til sygdommen. 

Alligevel er virkningerne af lecanemab så marginale, at forskere diskuterer, om stoffet virkelig vil gøre en praktisk forskel for patienterne. Det faktum, at lecanemab skiller sig ud som et lyspunkt, taler om, hvor dyster meget af historien om forskning i behandlinger af Alzheimers har været. I mellemtiden er en dybere forståelse af den biologi, der er i spil, næring til interessen for de førende alternative teorier for, hvad der forårsager sygdommen.

Spekulationerne om, hvordan hukommelsen fungerer, er mindst lige så gamle som Platon, der i en af ​​sine sokratiske dialoger skrev om "Erindringens gave, musernes moder", og sammenlignede dens funktion med et voksstempel i sjælen. Vi kan være taknemmelige for, at videnskaben har forbedret vores forståelse af hukommelsen betydeligt siden Platons tid - ud med voksstemplerne, ind med "engrammer" af ændringer i vores neuroner. Alene i det seneste år har forskere gjort spændende fremskridt i retning af at lære, hvordan og hvor i hjernen forskellige aspekter af vores erindringer findes. Mere overraskende har de endda fundet biokemiske mekanismer, der adskiller gode minder fra dårlige.

Fordi vi er skabninger med hjerner, tænker vi ofte på hukommelsen i rent neurologiske termer. Alligevel antyder arbejde offentliggjort tidligt i 2022 af forskere ved California Institute of Technology, at selv individuelle celler i væv under udvikling kan bære nogle optegnelser over deres afstamningshistorie. Disse stamceller ser ud til at stole på den lagrede information, når de står over for beslutninger om, hvordan de skal specialisere sig som reaktion på kemiske signaler. Fremskridt inden for biologi i løbet af det sidste år afslørede også mange andre overraskelser, herunder indsigt i, hvordan hjernen tilpasser sig forlænget fødevaremangel, og hvordan migrerende celler følger en vej gennem kroppen. Det er værd at se tilbage på noget af det bedste fra det arbejde, før afsløringerne af det kommende år giver os et nyt perspektiv på os selv igen.

Mange mennesker forbundet med Alzheimers sygdom, enten gennem forskning eller gennem personlige bånd til patienter, håbede, at 2022 ville blive et bannerår. Store kliniske forsøg ville endelig afsløre, om to nye lægemidler, der adresserer den opfattede grundårsag til sygdommen, virkede. Resultaterne levede desværre ikke op til forventningerne. Et af lægemidlerne, lecanemab, viste potentiale til en smule at bremse den kognitive tilbagegang hos nogle patienter, men var også forbundet med nogle gange fatale bivirkninger; den anden, gantenerumab, blev betragtet som en direkte fiasko. 

De skuffende resultater dækker tre årtiers forskning, der er stærkt baseret på teorien om, at Alzheimers sygdom er forårsaget af plaques af amyloidproteiner, der opbygges mellem hjerneceller og dræber dem. Montering af beviser tyder imidlertid på, at amyloid kun er en komponent i en meget mere kompleks sygdomsproces der involverer skadelig inflammation og funktionsfejl i, hvordan celler genbruger deres proteiner. De fleste af disse ideer har eksisteret lige så længe som amyloidhypotesen, men er kun lige begyndt at modtage den opmærksomhed, de fortjener.

Faktisk begynder sammenlægninger af proteiner omkring celler at ligne en næsten universelt fænomen i aldrende væv og ikke en tilstand, der er ejendommelig for amyloid og Alzheimers sygdom, ifølge arbejde fra Stanford University-forskere, der blev annonceret i et fortryk sidste forår. Observationen kan være endnu et bevis på, at forværrede problemer med proteinhåndtering kan være en rutinemæssig konsekvens af ældning for celler.

Neurovidenskabsmænd har længe forstået meget om, hvordan minder dannes - i princippet. De har vidst, at når hjernen opfatter, føler og tænker, styrker den neurale aktivitet, der giver anledning til disse oplevelser, de synaptiske forbindelser mellem de involverede neuroner. Disse varige ændringer i vores neurale kredsløb bliver de fysiske registreringer af vores erindringer, hvilket gør det muligt at genskabe de elektriske mønstre af vores oplevelser, når de er nødvendige. De nøjagtige detaljer om denne proces har ikke desto mindre været kryptiske. Tidligt i år ændrede det sig, da forskere ved University of Southern California beskrev en teknik til visualisere disse ændringer som de forekommer i en levende hjerne, som de brugte til at se en fisk lære at forbinde ubehagelig varme med et let signal. Til deres overraskelse, mens denne proces styrkede nogle synapser, slettede den andre. 

Informationsindholdet i en hukommelse er kun en del af det, hjernen gemmer. Erindringer er også kodet med en følelsesmæssig "valens" der kategoriserer dem som en positiv eller negativ oplevelse. Sidste sommer rapporterede forskere, at niveauer af et enkelt molekyle frigivet af neuroner, kaldet neurotensin, synes at fungere som flag for denne mærkning. 

Livet på Jorden begyndte med den første fremkomst af celler for omkring 3.8 milliarder år siden. Men paradoksalt nok, før der var celler, må der have været samlinger af molekyler, der laver overraskende naturtro ting. I løbet af det seneste årti har forskere i Japan udført eksperimenter med RNA-molekyler for at finde ud af, om en enkelt type replikerende molekyle kunne udvikle sig til et mylder af forskellige replikatorer, som forskere om livets oprindelse har teoretiseret må være sket i naturen. De japanske videnskabsmænd fandt ud af, at denne diversificering fandt sted, hvor forskellige molekyler udviklede sig sammen til konkurrerende værter og parasitter, der steg og faldt i dominans. I marts sidste år rapporterede forskerne om en ny udvikling: De forskellige molekyler var begyndt at arbejde sammen i en mere stabilt økosystem. Deres arbejde tyder på, at RNA'er og andre molekyler i den præbiotiske verden ligeledes kunne have udviklet sig sammen for at lægge grundlaget for cellulært liv.

Selvreplikation behandles ofte som det væsentlige første skridt i enhver hypotese om livets oprindelse, men det behøver det ikke at være. I år fortsatte Nick Lane og andre evolutionære biologer med at finde beviser for, at før celler eksisterede, systemer af "proto-metabolisme" involverer komplekse sæt af energetiske reaktioner, kan være opstået i de porøse materialer nær hydrotermiske åbninger.

Hvordan vokser en enkelt befrugtet ægcelle til en voksen menneskekrop med op mod 30 billioner celler i mere end 200 specialiserede kategorier? Det er udviklingens essentielle mysterium. I det meste af det sidste århundrede har den fremherskende forklaring været, at kemiske gradienter etableret i forskellige dele af den udviklende krop leder cellerne derhen, hvor de er nødvendige og fortæller dem, hvordan de differentieres til bestanddelene af hud, muskler, knogler, hjerne og andre organer. 

Men kemikalier synes nu kun at være en del af svaret. Nyligt arbejde tyder på, at selvom celler bruger kemiske gradient-spor til at guide deres navigation, følger de også mønstre af fysisk spænding i vævene, der omgiver dem, som vandrere, der krydser et stramt kabel. Fysisk spænding gør mere end at fortælle cellerne, hvor de skal hen. Andet arbejde rapporteret i maj viste, at mekaniske kræfter inde i et embryo også hjælper med at inducere sæt af celler til at blive specifikke strukturer, såsom fjer i stedet for hud.

I mellemtiden gjorde syntetiske biologer - forskere, der tager en ingeniørmæssig tilgang til studiet af liv - vigtige fremskridt med at forstå den slags genetiske algoritmer, der styrer, hvordan celler differentierer som reaktion på kemiske signaler. Et hold hos Caltech demonstrerede en kunstigt netværk af gener der stabilt kunne transformere stamceller til en række mere specialiserede celletyper. De har ikke identificeret, hvad det naturlige genetiske kontrolsystem i celler er, men succesen med deres model beviser, at uanset hvad det virkelige system er, behøver det sandsynligvis ikke at være meget mere kompliceret.

Hjernen er det mest energikrævende organ i kroppen, så måske er det ikke overraskende, at evolutionen udtænkte en nødstrategi for at hjælpe hjerner med at klare længere perioder med fødevaremangel. Forskere ved University of Edinburgh opdagede, at når mus skal overleve på korte rationer i uger i træk, begynder deres hjerner at fungere svarende til en "lav strøm" tilstand. 

I denne tilstand bruger neuroner i den visuelle cortex næsten 30 % mindre energi ved deres synapser. Fra et ingeniørmæssigt synspunkt er det en smart løsning til at strække hjernens energiressourcer, men der er en hake. I virkeligheden reducerer laveffekttilstand opløsningen af ​​dyrets syn ved at gøre det visuelle system til at behandle signaler mindre præcist. 

Et teknisk syn på hjernen forbedrede også for nylig vores forståelse af et andet sansesystem: vores lugtesans. Forskere har forsøgt at forbedre computeriserede "kunstige næsers" evne til at genkende lugte. Kemiske strukturer alene går langt i retning af at definere de lugte, vi forbinder med forskellige molekyler. Men nyt arbejde tyder på, at metaboliske processer der skaber molekyler i naturen afspejler også vores lugtesans af molekylerne. Neurale netværk, der inkluderede metabolisk information i deres analyser, kom betydeligt tættere på at klassificere lugte, som mennesker gør.

En levende menneskelig hjerne er stadig en sindssygt svær ting for neurovidenskabsmænd at studere: Kraniet hindrer deres udsyn, og etiske overvejelser udelukker mange potentielt informative eksperimenter. Det er derfor, forskere er begyndt at dyrke isoleret hjernevæv i laboratoriet og lade det danne "organoider" med fysiske og elektriske ligheder med rigtige hjerner. I år viste neuroforskeren Sergiu Paşca og hans kolleger, hvor langt disse ligheder går ved at implantere menneskelige hjerneorganoider til nyfødte laboratorierotter. De menneskelige celler integrerede sig i dyrets neurale kredsløb og indtog en rolle i dets lugtesans. Desuden så de transplanterede neuroner sundere ud end dem, der voksede i isolerede organoider, hvilket tyder på, som Paşca bemærkede i et interview med Quanta, vigtigheden af ​​at give neuroner input og output. Arbejdet viser vejen mod at udvikle bedre eksperimentelle modeller for menneskelige hjerner i fremtiden.