Biologian vuosi

Muistomme ovat identiteettimme kulmakivi. Niiden merkitys on suuri osa sitä, mikä tekee Alzheimerin taudista ja muista dementian muodoista niin julman ja koskettavan. Tästä syystä olemme niin epätoivoisesti toivoneet tieteen parantavan Alzheimerin tautia, ja siksi on niin turhauttavaa ja traagista, että hyödyllisten hoitojen synty on ollut hidasta. Siksi syyskuussa ilmoitettiin suurta jännitystä, että uusi lääke, lekanemabi, hidasti taudin etenemistä kliinisissä tutkimuksissa. Jos elintarvike- ja lääkevirasto hyväksyy sen, lekanemabista tulee vasta toinen Alzheimerin hoitomuoto, joka torjuu amyloidi-beetaproteiinia, jonka oletetaan yleisesti olevan taudin syy. 

Lekanemabin vaikutukset ovat kuitenkin niin marginaalisia, että tutkijat keskustelevat siitä, onko lääkkeellä todella käytännön merkitystä potilaille. Se, että lekanemabi erottuu valopilkkuna, kertoo siitä, kuinka synkkää Alzheimerin taudin hoitojen tutkimushistoria on ollut. Samaan aikaan syvempi ymmärrys pelissä olevasta biologiasta lisää kiinnostusta johtaviin vaihtoehtoisiin teorioihin taudin aiheuttajista.

Spekulaatio muistin toiminnasta on vähintään yhtä vanhaa kuin Platon, joka yhdessä sokraattisista dialogeistaan ​​kirjoitti "Muistin lahjasta, muusojen äidistä" ja vertasi sen toimintaa sielun vahaleimaan. Voimme olla kiitollisia siitä, että tiede on huomattavasti parantanut ymmärrystämme muistista Platonin ajoista lähtien – ulos vahaleimoista, neuroneidemme muutosten "engrammeista". Pelkästään kuluneen vuoden aikana tutkijat ovat ottaneet jännittäviä harppauksia oppiakseen kuinka ja missä aivoissa muistojemme eri osa-alueet sijaitsevat. Yllättävämpää on, että he ovat jopa löytäneet biokemiallisia mekanismeja, jotka erottavat hyvät muistot huonoista.

Koska olemme olentoja, joilla on aivot, ajattelemme usein muistia puhtaasti neurologisin termein. Silti Kalifornian teknologiainstituutin tutkijoiden vuoden 2022 alussa julkaisema työ viittaa siihen, että jopa yksittäiset solut kehittyvissä kudoksissa voivat sisältää joitain tietueita linjansa historiasta. Nämä kantasolut näyttävät luottavan tähän tallennettuun tietoon, kun he joutuvat tekemään päätöksiä siitä, kuinka erikoistua vastauksena kemiallisiin vihjeisiin. Biologian edistyminen kuluneen vuoden aikana paljasti myös monia muita yllätyksiä, mukaan lukien oivalluksia siitä, kuinka aivot sopeutuvat pitkittyneeseen ravinnonpuutteeseen ja kuinka vaeltavat solut seuraavat polkua kehon läpi. Kannattaa katsoa taaksepäin joitain tuon työn parhaita, ennen kuin tulevan vuoden paljastukset antavat meille jälleen uuden näkökulman itseemme.

Monet ihmiset, jotka ovat yhteydessä Alzheimerin tautiin joko tutkimuksen tai henkilökohtaisten siteiden kautta potilaisiin, toivoivat, että vuosi 2022 olisi lippuvuosi. Suuret kliiniset tutkimukset paljastaisivat vihdoin, toimivatko kaksi uutta lääkettä taudin havaittuun perimmäiseen syyyn. Valitettavasti tulokset jäivät odotuksista. Yksi lääkkeistä, lekanemabi, osoitti potentiaalia hidastaa hieman joidenkin potilaiden kognitiivista heikkenemistä, mutta se liittyi myös joskus kuolemaan johtaviin sivuvaikutuksiin; toinen, gantenerumabi, katsottiin täydelliseksi epäonnistuneeksi. 

Pettymyslliset tulokset rajaavat kolmen vuosikymmenen tutkimuksen, joka perustuu vahvasti teoriaan, jonka mukaan Alzheimerin taudin aiheuttavat amyloidiproteiinien plakit, jotka kerääntyvät aivosolujen väliin ja tappavat niitä. Kasvavat todisteet viittaavat kuitenkin siihen, että amyloidi on vain yksi komponentti a paljon monimutkaisempi sairausprosessi joka sisältää vaurioittavan tulehduksen ja toimintahäiriöitä siinä, miten solut kierrättävät proteiinejaan. Suurin osa näistä ideoista on ollut olemassa niin kauan kuin amyloidihypoteesi, mutta ne ovat vasta alkaneet saada ansaitsemaansa huomiota.

Itse asiassa proteiinien aggregaatiot solujen ympärillä alkavat näyttää lähes yleinen ilmiö ikääntyvissä kudoksissa eikä amyloidille ja Alzheimerin taudille ominainen tila, Stanfordin yliopiston tutkijoiden työn mukaan, joka julkistettiin preprintissä viime keväänä. Havainto voi olla jälleen yksi todiste siitä, että proteiinien hallintaan liittyvien ongelmien paheneminen voi olla rutiini seurausta solujen ikääntymisestä.

Neurotieteilijät ovat jo pitkään ymmärtäneet paljon siitä, kuinka muistot muodostuvat - periaatteessa. He ovat tienneet, että kun aivot havaitsevat, tuntevat ja ajattelevat, neuraalinen toiminta, joka synnyttää näitä kokemuksia, vahvistaa synaptisia yhteyksiä mukana olevien hermosolujen välillä. Näistä kestävistä muutoksista hermopiirissämme tulee muistojemme fyysisiä tallenteita, mikä mahdollistaa kokemustemme sähköisten kuvioiden herättämisen uudelleen esiin, kun niitä tarvitaan. Tämän prosessin tarkat yksityiskohdat ovat kuitenkin olleet salaperäisiä. Tämän vuoden alussa tilanne muuttui, kun Etelä-Kalifornian yliopiston tutkijat kuvasivat tekniikkaa visualisoida nämä muutokset koska ne esiintyvät elävissä aivoissa, joita he käyttivät katsomaan, kuinka kala oppii yhdistämään epämiellyttävän lämmön valoon. Heidän yllätyksensä tämä prosessi vahvisti joitain synapseja, mutta poisti toiset. 

Muistin tietosisältö on vain osa siitä, mitä aivot tallentaa. Muistot on myös koodattu emotionaalinen "valenssi" joka luokittelee ne positiivisiksi tai negatiivisiksi kokemuksiksi. Viime kesänä tutkijat raportoivat, että neuronien vapauttaman yksittäisen molekyylin, neurotensiinin, tasot näyttävät toimivan tämän leimauksen lippuina. 

Elämä maapallolla alkoi solujen ensimmäisestä ilmestymisestä noin 3.8 miljardia vuotta sitten. Mutta paradoksaalista kyllä, ennen solujen olemassaoloa on täytynyt olla molekyylikokoelmia, jotka tekivät yllättävän todenmukaisia ​​asioita. Viimeisen vuosikymmenen aikana japanilaiset tutkijat ovat tehneet kokeita RNA-molekyylillä saadakseen selville, voisiko yksittäinen replikoituva molekyyli kehittyä joukoksi erilaisia ​​replikaattoreita, kuten elämän syntyä tutkivien tutkijoiden teoriassa on täytynyt tapahtua luonnossa. Japanilaiset tutkijat havaitsivat, että tämä monimuotoisuus tapahtui, kun eri molekyyleistä kehittyi kilpailevia isäntiä ja loisia, jotka nousivat ja laskivat hallitsevassa asemassa. Viime maaliskuussa tiedemiehet raportoivat uudesta kehityksestä: Erilaiset molekyylit olivat alkaneet toimia yhdessä a vakaampi ekosysteemi. Heidän työnsä viittaavat siihen, että RNA:t ja muut molekyylit prebioottisessa maailmassa ovat myös saattaneet kehittyä yhdessä luodakseen perustan solujen elämälle.

Itsereplikaatiota pidetään usein välttämättömänä ensimmäisenä askeleena missä tahansa elämän alkuperähypoteesissa, mutta sen ei tarvitse olla. Tänä vuonna Nick Lane ja muut evoluutiobiologit jatkoivat todisteiden löytämistä siitä, että ennen solujen olemassaoloa "proto-aineenvaihduntajärjestelmät" Monimutkaisia ​​energeettisiä reaktioita on saattanut syntyä huokoisissa materiaaleissa lähellä hydrotermisiä aukkoja.

Kuinka yhdestä hedelmöittyneestä munasolusta kasvaa aikuisen ihmiskeho, jossa on yli 30 biljoonaa solua yli 200 erikoisluokassa? Se on kehityksen pohjimmainen mysteeri. Suurimman osan kuluneesta vuosisadasta vallitseva selitys on ollut, että kehittyvän kehon eri osiin muodostuneet kemialliset gradientit ohjaavat soluja sinne, missä niitä tarvitaan, ja kertovat heille, kuinka ne erilaistuvat ihon, lihaksen, luiden, aivojen ja muiden aineosiksi. elimiä. 

Mutta nyt kemikaalit näyttävät olevan vain osa vastausta. Viimeaikaiset työt viittaavat siihen, että vaikka solut käyttävät kemiallisia gradienttivihjeitä navigoinnin ohjaamiseen, ne myös seuraavat fyysisen jännityksen malleja niitä ympäröivissä kudoksissa, kuten nuorella kävelijät, jotka ylittävät kireän kaapelin. Fyysinen jännitys kertoo enemmän kuin kertoo soluille, minne mennä. Muut toukokuussa raportoidut työt osoittivat, että mekaaniset voimat alkion sisällä auttavat myös indusoimaan solujoukkoja muuttua erityisiksi rakenteiksi, kuten höyhenet ihon sijaan.

Samaan aikaan synteettiset biologit - tutkijat, jotka ottavat insinöörin lähestymistavan elämän tutkimukseen - edistyivät merkittävästi sellaisten geneettisten algoritmien ymmärtämisessä, jotka ohjaavat solujen erilaistumista vasteena kemiallisiin vihjeisiin. Caltechin tiimi osoitti keinotekoinen geeniverkosto joka voisi stabiilisti muuttaa kantasolut useiksi erikoistuneemmiksi solutyypeiksi. He eivät ole tunnistaneet, mikä solujen luonnollinen geneettinen kontrollijärjestelmä on, mutta heidän mallinsa menestys osoittaa, että mikä tahansa todellinen järjestelmä on, sen ei luultavasti tarvitse olla paljon monimutkaisempi.

Aivot ovat kehon energiannälkäisin elin, joten ehkä ei ole yllättävää, että evoluutio kehitti hätästrategian auttamaan aivoja selviytymään pitkistä ruuan puutteesta. Edinburghin yliopiston tutkijat havaitsivat, että kun hiirten on selviydyttävä lyhyillä annoksilla viikkoja peräkkäin, niiden aivot alkavat toimia samalla tavalla kuin "pienitehoinen" tila. 

Tässä tilassa visuaalisen aivokuoren neuronit käyttävät synapseissaan lähes 30 % vähemmän energiaa. Tekniseltä kannalta se on siisti ratkaisu aivojen energiaresurssien venyttämiseen, mutta siinä on saalis. Itse asiassa pienitehoinen tila heikentää eläimen näön resoluutiota tekemällä visuaalisen järjestelmän käsittelemään signaaleja vähemmän tarkasti. 

Tekninen näkemys aivoista on myös äskettäin parantanut ymmärrystämme toisesta aistijärjestelmästämme: hajuaististamme. Tutkijat ovat yrittäneet parantaa tietokoneistetun "keinotekoisen nenän" kykyä tunnistaa hajuja. Kemialliset rakenteet yksinään auttavat määrittämään hajuja, jotka yhdistämme eri molekyyleihin. Mutta uusi työ viittaa siihen, että aineenvaihduntaprosessit jotka luovat molekyylejä luonnossa, heijastavat myös aistimme molekyylien hajusta. Neuraaliverkot, jotka sisälsivät analyyseihinsä aineenvaihduntatietoja, tulivat huomattavasti lähemmäksi hajujen luokittelua ihmisten tapaan.

Elävät ihmisaivot ovat edelleen järjettömän vaikea asia neurotieteilijöille tutkia: kallo estää heidän näkemyksensä ja eettiset näkökohdat sulkevat pois monia mahdollisesti informatiivisia kokeita. Siksi tutkijat ovat alkaneet kasvattaa eristettyä aivokudosta laboratoriossa ja antaneet sen muodostaa "organoideja", joilla on fyysisiä ja sähköisiä yhtäläisyyksiä todellisten aivojen kanssa. Tänä vuonna neurotieteilijä Sergiu Paşca ja hänen kollegansa osoittivat, kuinka pitkälle nämä yhtäläisyydet menevät implantoimalla ihmisen aivojen organoidit vastasyntyneille laboratoriorotille. Ihmisen solut integroituivat eläimen hermovirtapiireihin ja ottivat roolin sen hajuaistiin. Lisäksi siirretyt neuronit näyttivät terveemmiltä kuin ne, jotka kasvavat eristetyissä organoideissa, mikä viittaa, kuten Paşca totesi haastattelu with Quanta, on tärkeää tarjota hermosoluille tuloja ja lähtöjä. Työ osoittaa tietä kohti parempia kokeellisia malleja ihmisaivoille tulevaisuudessa.