Öröm vagy fájdalom? Feltérképezi a meghatározó idegi áramköröket. | Quanta Magazin

Ishmail Abdus-Saboort philadelphiai kora óta lenyűgözi a természet sokszínűsége. A természetben tett séták, amelyeket harmadik osztályos tanára, Mr. Moore felügyelete alatt tett, elbűvölték. „Különhatásba kell lépnünk és kapcsolatba kell lépnünk a vadon élő állatokkal, és látnunk kell az állatokat az őshonos környezetükben” – emlékezett vissza. Abdus-Saboor lények – macskák, kutyák, gyíkok, kígyók és teknősök – menazsériáját is behozta háromemeletes otthonába, és megtakarította a pénzét, hogy vásároljon egy folyóiratot, amely a teknősökről tanította. Amikor a felnőttek megkérdezték tőle, mi akar lenni, ha felnő, „azt mondtam, hogy tudós szeretnék lenni” – mondta. – Mindig felvontam a szemöldököm.

Abdus-Saboor nem tért el ettől a céltól. Ma ő egy a biológiai tudományok docense a Columbia Egyetem Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute-jában, ahol tanul hogyan határozza meg az agy hogy a bőr érintése fájdalmas vagy kellemes. "Bár ez a kérdés alapvető az emberi tapasztalatok szempontjából, továbbra is rejtélyes, hogy kielégítő molekuláris részletekkel magyarázzuk meg" - mondta. Mivel a bőr a legnagyobb érzékszervünk, és a környezetünk egyik fő csatornája, nyomokat rejthet magában a krónikus fájdalomtól a depresszióig terjedő állapotok kezelésére.

Ahhoz, hogy megtalálja ezeket a nyomokat, Abdus-Saboor megvizsgálja az idegrendszert a bőr-agy tengely minden pontján. Nem csak a bőrre összpontosít, és nem csak az agyra koncentrál, mint sokan mások. „Egyesítjük ezt a két világot” – mondta. Ez a megközelítés kétféle technika elsajátítását, két irodalom elolvasását és két tudományos ülésen való részvételt követel meg. „Egyedülálló lábat ad nekünk” – mondta. Ez oda vezetett, hogy a mérföldkő papír tavaly jelent meg ben Sejt amely az egész idegi áramkört az élvezetes érintés érdekében lefektette.

Abdus-Saboor úttörő szerepet vállalt a a fájdalom új mennyiségi mérőszáma egereken egy olyan eszközt, amelyet ő és csapata adaptált, hogy bizonyítékokat gyűjtsön az opioid-függőség generációkon átívelő öröklődéséről. A rágcsálókkal kapcsolatos eredményei arra utalnak, hogy a szülők túlzott opioidhasználata megváltoztathatja a génexpressziót oly módon, hogy a gyermekeket is veszélyezteti.

Abdus-Saboor, aki számos kitüntetésben részesült teljesítményéért, bekerült a Howard Hughes Orvosi Intézet beavató osztályába. Freeman Hrabowski tudósok tavaly májusban. A díj egy évtized alatt akár 8.6 millió dollárt biztosít azoknak a feltörekvő sztároknak, akik pályafutásuk elején járnak, akiknek laboratóriumai elősegítik a sokszínűséget és a befogadást.

Quanta Abdus-Saboorral beszélt a tudományban való újrakezdés iránti vonzalmáról, a zebrahal-heureka pillanatáról és egy újonnan importált csupasz vakond patkány kolóniával kapcsolatos reményeiről. Az interjúkat az egyértelműség kedvéért sűrítettük és szerkesztettük.

Gyerekkorában a szülei támogatták a tudomány iránti érdeklődését?

Biztosan megtették. Születésnapi ajándékként kezdtem el kapni állatokat, mert látták, mennyire elbűvöltem őket. Gyors előre a középiskolába. Kilencedik osztályban a szüleim megengedték, hogy átvegyem a házunk harmadik emeletét egy éves tudományos vásári projektben, amelyet a biológia tiszteletére készítettem. Több száz rák volt mindenhol. A szüleim nem tudósok, de nagyon támogatták szökéseimet és kalandjaimat a tudományos szférában.

Mivel foglalkoznak a szüleid?

Édesanyám egy könyvelő cég pénzügyi igazgatója. Apám nyugdíjba vonulása előtt aktuárius volt. Szóval lehet, hogy matematikai hajlamot örököltem. Egy állat fájdalmának közelítése érdekében statisztikai modellezést végzünk, hogy viselkedési jellemzőit egyetlen, könnyen olvasható skálába tömörítsük. Apám eljött néhány előadásomra, és bár a biológia gyakran a feje fölött van, rendkívül izgatottá válik a munkám matematikai része.

Hogyan alakította karrierjét a főiskola?

Egy történelmileg fekete főiskolára jártam, a North Carolina A&T-re. Olyan emberek családjából származom, akik ilyen típusú egyetemekre jártak. A szüleim a Howard Egyetemre jártak. A nagynéném is így tett. Egy nagybátyám Virginia államba járt, nagyapám Lincoln Egyetemre. Nem tudom, volt-e más választásom, mint egy ilyen egyetemre járni.

Ennek ellenére úgy gondolom, hogy ez bölcs döntés volt. Növelte az önbizalmamat, hogy olyan embereket láttam, akik úgy néznek ki, mint én. A főiskola kultúrája pedig nevelő, nem versengő. A kar tagjai törődnek veled. A diákok együtt dolgoznak, és szeretnék látni egymás sikerét.

Kutattál az egyetemen?

Igen. Tudtam, hogy a kutatási tapasztalat fontos, ezért az egyetemen töltött első hónapban házról házra jártam, és kutatási lehetőségeket kértem az oktatóktól. Felvettek dolgozni egy sertéstelepre. Vicces, mert nem eszek sertéshúst, de azt vizsgáltam, hogy a sertések étrendjének változása megváltoztatta-e a hús ízét.

Akkoriban kacérkodtam a gondolattal, hogy állatorvos legyek. Így másodéves koromban állatkórházakban dolgoztam, állatokat ivartalanítottam, ivartalanítottam és takarítottam. Ekkor jöttem rá, hogy nincs benne az az izgalom, amit gyerekként éreztem a tudomány előtt. Nem voltam szerelmes ebbe a munkába.

De az alsó és a felső év között a Pennsylvaniai Egyetem molekuláris biológiai laborjában dolgoztam, és kigyulladt egy villanykörte. Azt gondoltam: „Hú, az emberek azért kapnak fizetést, ha nagy ötleteken gondolkodnak, és megpróbálnak megoldást találni az emberi egészség szempontjából fontos problémákra.” Emlékszem, azt mondtam a szüleimnek: „Ez az. Ph.D fokozatot szeretnék szerezni. a molekuláris biológiában."

Mi késztetett arra, hogy az élvezetet és a fájdalmat tanulmányozza?

Kicsit kanyargós út volt. Megszereztem a Ph.D. a Pennsylvaniai Egyetemen a sejtek fejlődésében szerepet játszó orsóférgek molekuláris útvonalát tanulmányozták. Az ezen az úton lévő fehérjék génjei az emberi rákos megbetegedések legalább 30%-ában mutáltak. Munkám bemutatta, hogy ezek az útvonalak hogyan szabályozzák a sejt alaptípusát és alakját. Én voltam az első abban a laborban, aki tanulmányozta ezt az utat, így sok eszközt a semmiből kellett megépíteni. Pályafutásom során ez volt a téma: szeretek új kurzusokat feltérképezni.

A következő kurzus pedig az idegtudomány felé vitt. Miért?

Úgy tűnt, az idegtudomány aranykorát éli. Különböző tudományágak képviselői gyűltek össze, hogy tanulmányozzák az agyat, de úgy tűnt, még mindig több a kérdés, mint a válasz, így volt hely a hatásra. Az érzékszervi idegtudományba részben annak logikai egyszerűsége miatt költöztem át: a bőrben lévő receptorok aktiválódnak, majd egy sor közvetítés után valahogy érzékelést kap az agyban. Az érzékszervi rendszerek közül az érintést tanulmányozzák a legkevésbé. Néhány nagy kérdés még nyitott.

Mivel pótoltad a tudás hiányát?

Eleinte bizonytalan voltam a formális képzés hiányában. Posztdoktorként soha nem jártam idegtudományi órára. Találkozókon és idegtudósokkal folytatott beszélgetések során gyakran azt tapasztaltam, hogy nem tudok lépést tartani. Nem tudtam a nyelvet. De rendszeresen találkoztam vele Michael Nusbaum, a Penn orvosbiológiai kutatási igazgatója, miután megkérték, hogy mentoráljon. Egyik nap az irodájában azt javasolta, hogy tanítson idegtudományból. Több mint egy éven át heti két órában idegtudományi tanulmányokat vitattunk meg, az 1970-es és 1980-as évektől kezdve. Így tanultam az idegtudományt. Felbátorított, hogy azt mondtam: „Rendben, idegtudós vagyok.”

Afro-amerikai vagyok. Mikey Nusbaum egy fehér zsidó férfi New York városából. Előfordulhat, hogy azok az emberek, akik a leginkább támogatnak téged, nincs közvetlen kapcsolatod veled és a kultúráddal.

Hogyan találtad ki a fájdalomskálát?

Fájdalmas munkám miatt hátráltam egy lépést. Ha egereket akarunk használni a fájdalom tanulmányozására és potenciálisan új fájdalomcsillapítók kifejlesztésére, először meg kell válaszolnunk a kérdést: Honnan tudhatjuk, hogy az állat fájdalmat érez? Hagyományosan a kutatók azt vizsgálják, hogy egy állat milyen gyakran húzza ki a mancsát egy ingertől, de az állatok mindenféle ok miatt mozgatják a mancsukat. És mivel nem volt szabványosítás, a különböző laboratóriumok úgy döntöttek, hogy ugyanaz az inger ártalmatlan, fájdalmas vagy nagyon fájdalmas a kísérlettől függően. Ezért azt mondtam: "Egy teljesen új rendszert kell kidolgoznunk."

Honnan jött az ötlet ehhez?

Az ötletet onnan kaptam Michael Granato, egy Penn-i idegtudós, akinek a laborja a miénk közelében volt. A zebrahalak akusztikus riasztási reakcióját tanulmányozta. Elmentem egy labortalálkozóra, amelyen Roshan Jain, aki akkor a Granato laborban, jelenleg pedig a Haverford College oktatója volt, arról beszélt, hogy a nagysebességű videózást olyan válaszmozgások rögzítésére használják, amelyek túl gyorsak ahhoz, hogy szabad szemmel értékelni lehessen. Rájöttem, hogy ugyanezt a megközelítést használhatjuk egy állat mozgásának rögzítésére a bőringerre adott válaszként, és ezekkel a mozgásokkal közelíthetjük meg az állat fájdalmát. Ez egy teljesen új világot nyitott meg.

Ha nem mentem volna el arra a találkozóra a zebrahal tudóssal, soha nem jutott volna eszembe. Még mindig járok beszélgetésekre, és hallgatom, ahogy az emberek beszélnek a férgekről, legyekről, halakról, élesztőről, baktériumokról – nevezd meg –, mert talán tanulok valamit, amit be tudok építeni az általunk végzett munkába. A modern tudomány szégyene, hogy mindenki a saját rendszerére, szemléletére, szervezetére, fegyelmére koncentrál. Elfojthatja az innovációt, ha az emberek nincsenek széles körben képzettek, és nem lépnek ki komfortzónájukon.

Hogyan kapcsolta össze az egér mozgását a tapasztalataival, hogy létrehozzon egy skálát a fájdalom mérésére?

Először is igazoltuk, hogy egy ártalmatlannak ítélt inger, például egy puha sminkecset érintése, aktiválta az állat bőrében lévő tapintó idegsejteket, a bőrbe szúró tű pedig fájdalom-neuronokat. Ezután rögzítettük az állat válaszmozgását az egyes ingerekre. Fájdalomra az állat grimaszolt, gyorsan visszahúzta a mancsát, és erőteljesen megrázta. Az egyes mozgástípusokhoz, a kihúzás sebességéhez és a mancsrázások számához számértéket adtunk. Ezután minden számnak numerikus súlyt, sajátértéket adtunk annak alapján, hogy a jellemző mennyire fontos a fájdalom szintjéhez, majd a súlyozott értékeket egyetlen kvantitatív fájdalommérővé egyesítettük.

Hogyan látja ezt az új eszközt?

Két dolog van, ami miatt nagyon izgatottak vagyunk. Az egyik a genetikai variabilitást vizsgálja, mint a fájdalom hajtóerejét. A globális emberi populáció nagyon eltérő fájdalomérzékenységgel rendelkezik. Ennek egy része szociokulturális, de egy része a DNS-ben van. Például azoknál az embereknél, akik nem éreznek semmilyen fájdalmat, genetikai mutációik állnak a tulajdonság hátterében. Laboratóriumomban a fájdalomskálánkat körülbelül 20 különböző egértörzs fájdalomérzékenységének mérésére használtuk. Azonosítottunk olyan egereket, amelyek nem reagálnak túlzottan a fájdalomra, és olyan egereket, amelyek túlérzékenyek. Genetikai térképezési megközelítéseket alkalmazunk, hogy új géneket találjunk, amelyek ennek a fájdalomérzékenységnek az alapját képezhetik.

Nagyon izgatottak vagyunk amiatt is, hogy az agy hogyan szabályozza az átmenetet az akut fájdalomról a krónikusra. Fájdalomskálánkkal mérjük a fájdalom szintjét egy egérben, majd funkcionális mágneses rezonancia képalkotás segítségével pillanatfelvételt készítünk az egér agyi tevékenységéről. Minden nap leképezzük az állatokat, hogy megtaláljuk azokat az agyi aktivitási mintákat, amelyek az akut fájdalomról a krónikusra való átmenet hátterében állnak. Ha megtaláltuk őket, megpróbálhatjuk megváltoztatni őket, hogy megváltoztassuk a krónikus fájdalom lefolyását. Érdekelnek bennünket ennek a fájdalomnak az érzelmi és érzékszervi összetevői.

Tanultál már olyan érintést is, ami nem fájdalmas?

Igen, a közelmúltban Sejt papíron, a bőrtől az agyig mentünk, hogy elmagyarázzuk, miért kifizetődő az érintés egyes formái.

Elképesztő, amire korábban nem volt példa.

Az érintés molekuláris vizsgálata még viszonylag gyerekcipőben jár. Az érintési neuronok különböző osztályainak molekuláris jellemzőit csak a 2000-es évek végén azonosították. Azóta nagy hangsúlyt fektetnek a megkülönböztető érintésre, arra a fajta érintésre, amellyel a textúra alapján megkülönböztetik a negyedet egy fillért. A szociális simogató érintést nagyon kevéssé tanulmányozták.

Hogyan indult ez a projekt?

David AndersonA California Institute of Technology kutatócsoportja 2013-ban arról számolt be, hogy a bőr bizonyos sejtjei reagáltak a gyengéd érintésre. De nem vonták be ezeket a sejteket semmilyen természetes viselkedésbe, és nem hoztak létre kapcsolatot az aggyal. Elolvastam az újságot, és úgy döntöttem, megpróbálom pótolni ezeket a hiányosságokat. Utolsó posztdoktori évemben génsebészeti úton módosítottam az egereket, hogy finom tapintású neuronjaik legyenek, amelyek reagáltak a kék fényre. Az volt a tervem, hogy kék fénnyel stimulálom a neuronokat, és megnézem, mit csinálnak az egerek.

Amikor 2018-ban elindítottam a saját laboromat, készen álltunk a kísérletek megkezdésére. Még mindig emlékszem arra a napra, amikor a diákok bejöttek az irodámba, hogy megmutassák, mit találtak. Olyan volt, mint ez a heureka pillanat. Amikor az egerek hátán lévő bőrön keresztül neuronokat aktiváltunk, az állatok úgy viselkedtek, mintha ott simogatnák őket. Ez indította el az egész projektet. Sokkal több viselkedési tesztet végeztünk, és nyomon követtük a szociális érintés útját a bőrtől a gerincvelőn át az agy jutalomközpontjaiig.

Ennek a bőr-agy út megtalálásának van-e bármilyen egészségügyi következménye?

Igen, a bőr jó terápiás célpont. Hozzáférhető, és közvetlen autópályát kínál az agy azon részéhez, amelytől jól érezzük magunkat. Mi lenne, ha egy bőrkrémmel aktiválhatnánk ezeket a neuronokat a mentális egészség javítása érdekében – mondjuk a társadalmi elszigeteltség által okozott károk ellensúlyozására vagy a szorongás vagy a depresszió kezelésére? Amikor decemberben erről tartottam egy előadást, a hallgatóság pszichiáterei és neurofarmakológusai nagyon lelkesek voltak a terápiás lehetőségek iránt.

Van egy meztelen vakondpatkány kolóniája. mit csinálsz velük?

A meztelen vakond patkányok Kelet-Afrikából származnak. A föld alatt élnek, és alapvetően vakok, nagymértékben támaszkodnak az érintésre, bajuszszerű szőrszálakat használnak, hogy eligazodjanak az üregeikben, és kölcsönhatásba lépjenek egymással. Az érintés háromszor nagyobb agyterületet foglal el, mint más emlősöknél. Úgy gondoljuk, hogy az érintés fontos a közösségi társadalmi struktúrájuk kialakításában.

Azért is vagyunk kíváncsiak rájuk, mert a vakondpatkányok nem érzik a fájdalom bizonyos formáit. Például nem mutatnak fájdalomválaszt a kapszaicin molekulára, a csípős paprika hatóanyagára, ami a legtöbb emlős számára meglehetősen fájdalmas. Bőrükben receptorok vannak, amelyek reagálnak a kapszaicinre, ezért feltételezem, hogy az állatok agyi pályái leállítják a fájdalmat. Ha megtaláljuk és megragadjuk ezeket a jeleket, új módot találhatunk a fájdalom blokkolására.

Fiatal kutatóként milyen tudományos, társadalmi vagy kulturális akadályokat kellett leküzdenie?

Összességében szerencsésnek mondhatom magam, hogy minden fajhoz, nemzetiséghez és nemhez tartozó mentorok és kollégáim voltak, akik hittek bennem és támogattak. Szerencsésebb voltam, mint néhány más alulreprezentált kisebbség, akik igazán kihívásokkal teli környezetben dolgoztak, és emiatt ma nincsenek itt.

Ez azt jelenti, hogy nem mentem át sértetlenül. Az egyetemi rendőrök megállítottak és zaklattak, mert nem gondolták, hogy az egyetemhez tartozom. Megállítottak a saját épületemben, és a hatóságokat is kihívták. A legtöbb fekete tudósnak, akit ismerek, nagyon hasonló tapasztalataik voltak. Ezek nem csak az egyetemen történnek, hanem a környéken is, ahol élek, és ha megtörténik, akkor nem érzik jól magukat, és haragot és frusztrációt válthatnak ki. De mindig is volt egy hálózatom azokból az emberekből, akik támogatnak, és segítettek előrelépni, bár karrierem során viszonylag kevés alkalommal tapasztaltam ilyen nyílt rasszizmust.

Van tanácsod a törekvő fekete tudósoknak?

Határ a csillagos ég. Ne keseredj el, ha körülnézel, és nem látsz sok olyan embert, aki hasonlít rád, mert ez változik. Vedd körül magad jó emberekkel. Néha ezek az emberek hasonlítanak rád, de ne lepődj meg, ha a legnagyobb támogatóid közül néhányan nem. Légy nyitott és alakítsd ki a megfelelő kapcsolatokat.

És ne törd össze a saját álmaidat. Mindenféle háttérrel, az élet minden területéről érkező emberekre van szükségünk, mert kihívást jelentő problémák állnak előttünk. Bátorítom a fekete tudósokat vagy bárkit, akit érdekel ez a munka: Ha szereted és szenvedélyed van iránta, hajrá.