Året i biologi

Våra minnen är hörnstenen i vår identitet. Deras betydelse är en stor del av det som gör Alzheimers sjukdom och andra former av demens så grymma och gripande. Det är därför vi så desperat har hoppats på att vetenskapen ska kunna leverera ett botemedel mot Alzheimers, och varför det är så frustrerande och tragiskt att användbara behandlingar har varit långsamma att dyka upp. Stor spänning omgav därför tillkännagivandet i september att ett nytt läkemedel, lecanemab, bromsade utvecklingen av sjukdomen i kliniska prövningar. Om det godkänns av Food and Drug Administration blir lecanemab bara den andra Alzheimerbehandlingen som motverkar amyloid-betaprotein, som allmänt antas vara orsaken till sjukdomen. 

Ändå är effekterna av lecanemab så marginella att forskare diskuterar om läkemedlet verkligen kommer att göra en praktisk skillnad för patienterna. Det faktum att lecanemab sticker ut som en ljuspunkt talar om hur dyster mycket av historien om forskningen om behandlingar av Alzheimers har varit. Samtidigt väcker en djupare förståelse av den aktuella biologin intresset för de ledande alternativa teorierna för vad som orsakar sjukdomen.

Spekulationerna om hur minnet fungerar är minst lika gamla som Platon, som i en av sina sokratiska dialoger skrev om "minnets gåva, musernas moder", och jämförde dess funktion med en vaxstämpel i själen. Vi kan vara tacksamma för att vetenskapen har avsevärt förbättrat vår förståelse av minnet sedan Platons tid - ut med vaxstämplarna, in med "engram" av förändringar i våra nervceller. Bara under det senaste året har forskare gjort spännande framsteg mot att lära sig hur och var i hjärnan olika aspekter av våra minnen finns. Mer överraskande har de till och med hittat biokemiska mekanismer som skiljer bra minnen från dåliga.

Eftersom vi är varelser med hjärnor tänker vi ofta på minne i rent neurologiska termer. Ändå antyder arbete som publicerades tidigt 2022 av forskare vid California Institute of Technology att till och med enskilda celler i utvecklande vävnader kan bära vissa uppgifter om deras härkomsts historia. Dessa stamceller verkar förlita sig på den lagrade informationen när de ställs inför beslut om hur de ska specialisera sig som svar på kemiska signaler. Framsteg inom biologi under det senaste året avslöjade många andra överraskningar också, inklusive insikter om hur hjärnan anpassar sig till långvarig matbrist och hur migrerande celler följer en väg genom kroppen. Det är värt att se tillbaka på något av det bästa av det arbetet innan avslöjandena för det kommande året ger oss ett nytt perspektiv på oss själva igen.

Många människor kopplade till Alzheimers sjukdom, antingen genom forskning eller genom personliga band till patienter, hoppades att 2022 skulle bli ett banerår. Stora kliniska prövningar skulle slutligen avslöja om två nya läkemedel som åtgärdar den upplevda grundorsaken till sjukdomen fungerade. Resultaten föll tyvärr under förväntningarna. Ett av läkemedlen, lecanemab, visade potential att något bromsa den kognitiva nedgången hos vissa patienter men var också kopplad till ibland dödliga biverkningar; den andra, gantenerumab, ansågs vara ett direkt misslyckande. 

De nedslående resultaten täcker tre decenniers forskning baserad starkt på teorin att Alzheimers sjukdom orsakas av plack av amyloidproteiner som byggs upp mellan hjärnceller och dödar dem. Monterande bevis tyder dock på att amyloid bara är en komponent i en mycket mer komplex sjukdomsprocess som involverar skadlig inflammation och funktionsfel i hur celler återvinner sina proteiner. De flesta av dessa idéer har funnits lika länge som amyloidhypotesen men har bara precis börjat få den uppmärksamhet de förtjänar.

Faktum är att aggregationer av proteiner runt celler börjar se ut som en nästan universellt fenomen i åldrande vävnader och inte ett tillstånd som är speciellt för amyloid och Alzheimers sjukdom, enligt arbete av forskare vid Stanford University som tillkännagavs i ett förtryck i våras. Observationen kan vara ytterligare ett bevis på att förvärrade problem med proteinhantering kan vara en rutinmässig konsekvens av åldrande för celler.

Neuroforskare har länge förstått mycket om hur minnen bildas - i princip. De har vetat att när hjärnan uppfattar, känner och tänker, stärker den neurala aktivitet som ger upphov till dessa upplevelser de synaptiska kopplingarna mellan de inblandade neuronerna. Dessa bestående förändringar i våra neurala kretsar blir de fysiska registreringarna av våra minnen, vilket gör det möjligt att återskapa de elektriska mönstren i våra upplevelser när de behövs. De exakta detaljerna i den processen har ändå varit kryptiska. Tidigt i år ändrades det när forskare vid University of Southern California beskrev en teknik för visualisera dessa förändringar som de förekommer i en levande hjärna, som de använde för att se en fisk lära sig att associera obehaglig hetta med en lätt signal. Till deras förvåning, medan denna process stärkte vissa synapser, raderade den andra. 

Informationsinnehållet i ett minne är bara en del av det som hjärnan lagrar. Minnen är också kodade med en känslomässig "valens" som kategoriserar dem som en positiv eller negativ upplevelse. Förra sommaren rapporterade forskare att nivåer av en enda molekyl som frigörs av neuroner, kallad neurotensin, verkar fungera som flaggor för den märkningen. 

Livet på jorden började med det första uppkomsten av celler för ungefär 3.8 miljarder år sedan. Men paradoxalt nog, innan det fanns celler, måste det ha funnits samlingar av molekyler som gjorde förvånansvärt verklighetstrogna saker. Under det senaste decenniet har forskare i Japan genomfört experiment med RNA-molekyler för att ta reda på om en enda typ av replikerande molekyl kan utvecklas till en mängd olika replikatorer, som forskare om livets ursprung har teoretiserat måste ha hänt i naturen. De japanska forskarna fann att denna diversifiering inträffade, med olika molekyler som utvecklades samtidigt till konkurrerande värdar och parasiter som steg och föll i dominans. I mars förra året rapporterade forskarna om en ny utveckling: De olika molekylerna hade börjat arbeta tillsammans i en stabilare ekosystem. Deras arbete tyder på att RNA och andra molekyler i den prebiotiska världen på samma sätt kunde ha utvecklats samtidigt för att lägga grunden till cellulärt liv.

Självreplikering behandlas ofta som det väsentliga första steget i någon hypotes om livets ursprung, men det behöver inte vara det. I år fortsatte Nick Lane och andra evolutionära biologer att hitta bevis för att innan celler existerade, system för "protometabolism" som involverar komplexa uppsättningar av energetiska reaktioner kan ha uppstått i de porösa materialen nära hydrotermiska ventiler.

Hur växer en enskild befruktad äggcell till en vuxen människokropp med uppemot 30 biljoner celler i mer än 200 specialiserade kategorier? Det är utvecklingens huvudsakliga mysterium. Under stora delar av det senaste århundradet har den dominerande förklaringen varit att kemiska gradienter som etablerats i olika delar av den växande kroppen leder celler dit de behövs och talar om för dem hur de kan differentiera till beståndsdelarna i hud, muskler, ben, hjärna och andra organ. 

Men kemikalier verkar nu bara vara en del av svaret. Nyligen arbete tyder på att även om celler använder kemiska gradientledtrådar för att styra sin navigering, följer de också mönster av fysisk spänning i vävnaderna som omger dem, som vandrare som korsar en spänd kabel. Fysisk spänning gör mer än att berätta för cellerna vart de ska gå. Annat arbete som rapporterades i maj visade att mekaniska krafter inuti ett embryo också hjälper till att inducera uppsättningar av celler att bli specifika strukturer, såsom fjädrar istället för hud.

Samtidigt gjorde syntetiska biologer - forskare som tar ett ingenjörsmässigt tillvägagångssätt för att studera livet - viktiga framsteg för att förstå de typer av genetiska algoritmer som styr hur celler differentierar som svar på kemiska signaler. Ett team på Caltech demonstrerade en artificiellt nätverk av gener som stabilt skulle kunna omvandla stamceller till ett antal mer specialiserade celltyper. De har inte identifierat vad det naturliga genetiska kontrollsystemet i celler är, men framgången med deras modell bevisar att oavsett det verkliga systemet behöver det förmodligen inte vara mycket mer komplicerat.

Hjärnan är det mest energikrävande organet i kroppen, så det kanske inte är förvånande att evolutionen utarbetade en nödstrategi för att hjälpa hjärnor att klara av långa perioder av matbrist. Forskare vid University of Edinburgh upptäckte att när möss måste överleva på korta ransoner i veckor i sträck, börjar deras hjärnor att fungera på motsvarande sätt "låg effekt"-läge. 

I detta tillstånd använder neuroner i den visuella cortex nästan 30 % mindre energi vid sina synapser. Ur teknisk synvinkel är det en snygg lösning för att sträcka ut hjärnans energiresurser, men det finns en hake. I själva verket minskar lågeffektläget upplösningen av djurets syn genom att göra det visuella systemets processsignaler mindre exakta. 

En teknisk syn på hjärnan förbättrade nyligen också vår förståelse av ett annat sensoriskt system: vårt luktsinne. Forskare har försökt förbättra förmågan hos datoriserade "konstgjorda näsor" att känna igen lukter. Enbart kemiska strukturer går långt för att definiera de lukter vi förknippar med olika molekyler. Men nytt arbete tyder på att metaboliska processer som skapar molekyler i naturen speglar också vårt sinne för lukten av molekylerna. Neurala nätverk som inkluderade metabolisk information i sina analyser kom betydligt närmare att klassificera lukter som människor gör.

En levande mänsklig hjärna är fortfarande en vansinnigt svår sak för neuroforskare att studera: skallen hindrar deras syn och etiska överväganden utesluter många potentiellt informativa experiment. Det är därför forskare har börjat odla isolerad hjärnvävnad i laboratoriet och låtit den bilda "organoider" med fysiska och elektriska likheter med riktiga hjärnor. I år visade neuroforskaren Sergiu Paşca och hans kollegor hur långt dessa likheter går genom att implantera mänskliga hjärnans organoider i nyfödda laboratorieråttor. De mänskliga cellerna integrerade sig i djurets neurala kretsar och fick en roll i dess luktsinne. Dessutom såg de transplanterade neuronerna friskare ut än de som växte i isolerade organoider, vilket tyder på, som Paşca noterade i en intervju med Quanta, vikten av att förse neuroner med input och output. Arbetet visar vägen mot att utveckla bättre experimentella modeller för mänskliga hjärnor i framtiden.