Οπτογενετική, ο διακόπτης του εγκεφάλου

12/10/2026

Το παρακάτω κείμενο έχει γραφτεί από ΑΙ (τεχνητή νοημοσύνη, Claude) και δεν έχει ελεγχθεί για τυχόν λάθη.

Η οπτογενετική είναι ένας διακόπτης που ανάβει ή σβήνει με φως ένα μόνο είδος νευρώνων στον εγκέφαλο ενός ζωντανού ζώου, ώστε οι ερευνητές να δουν τι κάνει το ζώο όταν αλλάζει η δραστηριότητα αυτών των κυττάρων και μόνο αυτών.

Στις 5 Οκτωβρίου 2026 η Νόμπελ Συνέλευση του Ινστιτούτου Καρολίνσκα απένειμε το Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής στους Karl Deisseroth, Peter Hegemann και Georg Nagel “for their discoveries concerning light-gated ion channels and optogenetics”. Οι Hegemann και Nagel ανακάλυψαν σε μια μονοκύτταρη άλγη μια πρωτεΐνη που ανοίγει με το φως, και ο Deisseroth τη μετέφερε σε νευρώνες και την έκανε εργαλείο της νευροεπιστήμης.

Το βραβείο τιμά έναν νέο τρόπο να ρωτάς τον εγκέφαλο: μέχρι τότε οι ερευνητές έβλεπαν ποια κύτταρα ανάβουν όταν ένα ζώο πεινά ή διψά, αλλά δεν μπορούσαν να δείξουν ότι αυτά τα κύτταρα προκαλούν την πείνα ή τη δίψα, γιατί κάθε εργαλείο που άγγιζε τον εγκέφαλο άγγιζε μαζί και τα γειτονικά κύτταρα. Η Anna Wedell, μέλος της επιτροπής, είπε ότι άνοιξε μια νέα εποχή στη νευροεπιστήμη, και η συνέντευξή της έχει τον τίτλο “We can get a whole new understanding of the function of the brain”. Ο πρόεδρος της επιτροπής Per Svenningsson εξήγησε το ίδιο με άλλα λόγια, ότι η μέθοδος επιτρέπει να χαρτογραφείται ο εγκέφαλος “in a way that we could once only dream of”.

Η ιστορία ξεκινά με τα εργαλεία που υπήρχαν πριν από το φως, περνά από μια άλγη που κολυμπά προς τον ήλιο και καταλήγει στα πειράματα για την πείνα, τη δίψα, τη γεύση και τον εθισμό, όπου η νέα μέθοδος ανέτρεψε αρκετές παλιές ιδέες.

Γιατί ο εγκέφαλος αντιστεκόταν

Στον εγκέφαλο τα κύτταρα που κάνουν αντίθετες δουλειές κάθονται συχνά το ένα δίπλα στο άλλο, και γι’ αυτό τα εργαλεία του παρελθόντος ήταν χοντροκομμένα: μια βλάβη καταστρέφει ό,τι βρίσκεται στην περιοχή, ένα ηλεκτρόδιο διεγείρει ό,τι βρίσκεται κοντά στην άκρη του, και η απάντηση που παίρνεις είναι πάντα το άθροισμα όλων των κυττάρων μαζί.

Το 1953, στο πανεπιστήμιο McGill, ο James Olds και ο Peter Milner μελετούσαν με ηλεκτρόδια τον δικτυωτό σχηματισμό (reticular formation), μια δομή στο πίσω μέρος του εγκεφάλου, αλλά λόγω λάθους στην εισαγωγή το ηλεκτρόδιο του πρώτου αρουραίου κατέληξε στην πλάγια διαφραγματική περιοχή (lateral septal area), πιο μπροστά. Ο αρουραίος γύριζε ξανά και ξανά στη γωνία του κλουβιού όπου έπαιρνε τη διέγερση και σύντομα πατούσε ο ίδιος ένα πεντάλ για να την παίρνει (McGill). Έτσι ανακαλύφθηκε ότι ο εγκέφαλος έχει κέντρα ανταμοιβής, και το ηλεκτρόδιο είχε βρει κάτι αληθινό χωρίς να μπορεί να πει ποια κύτταρα ευθύνονται.

Το ίδιο ισχύει για την όρεξη. Το 1940 οι Hetherington και Ranson έδειξαν ότι βλάβες στον έσω υποθάλαμο (ventromedial) κάνουν τους αρουραίους παχύσαρκους, και το 1951 οι Anand και Brobeck βρήκαν ότι βλάβες στον πλάγιο υποθάλαμο (lateral) κάνουν τα ζώα να σταματούν να τρώνε, ακόμη και να πεθαίνουν από πείνα με το φαγητό μπροστά τους. Από εκεί προήλθε το μοντέλο των δύο κέντρων, ενός «κέντρου σίτισης» στον πλάγιο υποθάλαμο και ενός «κέντρου κορεσμού» στον έσω (Anand και Brobeck, Citation Classic). Η εικόνα όμως είχε μια ρωγμή, γιατί αργότερα φάνηκε ότι οι βλάβες που προκαλούσαν την αφαγία ήταν πολύ πλάγιες και κατέστρεφαν και ίνες που απλώς περνούν από εκεί, και ότι βλάβη στις ίδιες ίνες έξω από τον υποθάλαμο προκαλούσε επίσης αφαγία. Δημιουργήθηκε έτσι η υποψία ότι η αφαγία οφειλόταν στις ίνες και όχι σε κύτταρα του πλάγιου υποθαλάμου (Rolls, 1981).

Το πρόβλημα το είχε διατυπώσει ο Francis Crick, ο συνανακαλυπτής της δομής του DNA. Το 1979 έγραψε ότι η μεγάλη πρόκληση της νευροεπιστήμης είναι να ελέγχεις ένα μόνο είδος κυττάρων αφήνοντας τα υπόλοιπα ανεπηρέαστα (Cambridge University Press), και πρότεινε ότι το σήμα θα μπορούσε να είναι το φως: “the ideal signal would be light”, έγραψε σε κείμενό του. Υπήρχε όμως ένα εμπόδιο, γιατί οι νευρώνες του εγκεφάλου δεν αντιδρούν φυσιολογικά στο φως (Deisseroth, Kyoto Prize). Η λύση ήρθε περίπου είκοσι πέντε χρόνια αργότερα και όχι από εργαστήριο νευροεπιστήμης, αλλά από ανθρώπους που μελετούσαν μια άλγη.

Η άλγη που κολυμπά προς το φως

Στις αρχές της δεκαετίας του 1990 ο Peter Hegemann μελετούσε πώς η μονοκύτταρη άλγη Chlamydomonas αντιδρά στο φως, και μέτρησε ότι το ηλεκτρικό σήμα εμφανίζεται μέσα σε μισό χιλιοστό του δευτερολέπτου (ARY News). Ήθελε να καταλάβει πώς η άλγη κολυμπά προς μια πηγή φωτός, και το δελτίο τύπου του βραβείου λέει ότι όλα ξεκίνησαν από αυτή την περιέργεια.

Το 1995 ο Hegemann δημοσίευσε την αλληλουχία ενός γονιδίου της άλγης, της chlamyopsin, που ίσως ήταν μια ροδοψίνη και ένα κανάλι ιόντων ελεγχόμενο από το φως (Nagel, βιογραφικό για το Shaw Prize). Ο Nagel, με τον Ernst Bamberg, είχε ήδη δείξει ότι οι μικροβιακές ροδοψίνες, όπως η βακτηριοροδοψίνη, δουλεύουν και μέσα σε κύτταρα ζώου, στα ωάρια του βατράχου Xenopus (Hegemann και Nagel, 2013). Ο Hegemann τηλεφώνησε στον Nagel και του έστειλε δύο τέτοια γονίδια (Jeantet), και ο Nagel θυμάται ότι ήταν “a good chance to do something new and exciting”.

Το 2002 ο Nagel έδειξε ότι η πρώτη πρωτεΐνη, που ονόμασε channelrhodopsin-1, είναι ένα κανάλι που ανοίγει με φως και περνά πρωτόνια (Science, 2002). Το 2003 η δεύτερη, η channelrhodopsin-2, αποδείχθηκε κανάλι που ανοίγει απευθείας με το φως και αφήνει να περάσουν θετικά φορτισμένα ιόντα, και δούλεψε τόσο σε ωάρια βατράχου όσο και σε κύτταρα θηλαστικών (Nagel και συνεργάτες, 2003). Οι συγγραφείς πρότειναν τότε ότι η ChR2 θα μπορούσε να διεγείρει με φως και άλλα κύτταρα (Hegemann και Nagel, 2013).

Δεν ήταν οι πρώτοι που προσπάθησαν να κάνουν νευρώνες ευαίσθητους στο φως, γιατί ο Gero Miesenböck και ο Rich Kramer είχαν ήδη δουλέψει με άλλα φωτοευαίσθητα μόρια (Hegemann και Nagel, 2013). Οι γενετικές μέθοδοι της εποχής όμως ελέγχαν τη δραστηριότητα σε κλίμακα δευτερολέπτων ως λεπτών, ενώ οι παλμοί των νευρώνων διαρκούν χιλιοστά του δευτερολέπτου (Boyden και συνεργάτες, 2005). Το 2005 ο Deisseroth, μαζί με τους Edward Boyden και Feng Zhang και τους Bamberg και Nagel, έβαλε με έναν ιό (lentivirus) το γονίδιο της ChR2 σε νευρώνες θηλαστικών και έδειξε ότι με φως ελέγχεται η εκπομπή παλμών σε κλίμακα χιλιοστών του δευτερολέπτου (Boyden και συνεργάτες, 2005). Η μέθοδος πήρε το όνομα οπτογενετική ένα χρόνο αργότερα (ARY News), και ο Deisseroth την εφάρμοσε σε ζωντανά ποντίκια, όπου με την ενεργοποίηση συγκεκριμένων κυττάρων του κινητικού φλοιού κινούσε τα μουστάκια του ζώου (Hawaii Tribune-Herald).

Η ιστορία έχει περισσότερους πρωταγωνιστές από τους τρεις βραβευμένους: το Brain Prize του 2013 μοιράστηκε σε έξι επιστήμονες, τους Bamberg, Boyden, Deisseroth, Hegemann, Miesenböck και Nagel, και το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης σημείωσε ότι ο Boyden και ο Deisseroth βελτίωσαν τη μέθοδο αντικαθιστώντας το φωτοευαίσθητο μόριο του Miesenböck με ένα άλλο, που είχαν ανακαλύψει στο μεταξύ οι Bamberg, Hegemann και Nagel (University of Oxford). Το Νόμπελ δεν μπορεί να μοιραστεί σε περισσότερους από τρεις, και από τους έξι έμειναν εκτός οι Bamberg, Boyden και Miesenböck.

Πώς δουλεύει ο διακόπτης

Η μέθοδος στηρίζεται σε τρία πράγματα: ένα γονίδιο για ένα κανάλι που ανοίγει με φως, έναν τρόπο να μπει το γονίδιο μόνο στα κύτταρα που σε ενδιαφέρουν και μια οπτική ίνα που φέρνει το φως στο σημείο.

Η channelrhodopsin είναι ένα κανάλι στη μεμβράνη του κυττάρου. Όταν πέσει πάνω της μπλε φως, ανοίγει και αφήνει θετικά φορτισμένα ιόντα να μπουν μέσα, οπότε ο νευρώνας διεγείρεται και εκπέμπει παλμό (Hegemann και Nagel, 2013, Boyden και συνεργάτες, 2005).

Για να μπει το γονίδιο μόνο στα κύτταρα που ενδιαφέρουν, οι ερευνητές το φορτώνουν σε έναν ιό που δρα ως όχημα και χρησιμοποιούν ποντίκια με έναν γενετικό «δείκτη» που υπάρχει μόνο σε ένα είδος νευρώνων. Στη μελέτη του 2009 για τη ντοπαμίνη, που θα δούμε πιο κάτω, το γονίδιο εκφραζόταν μόνο στους νευρώνες που παράγουν ντοπαμίνη (Tsai και συνεργάτες, 2009). Η ίνα εμφυτεύεται στην περιοχή που μελετάται και η δέσμη φωτός ανάβει ή σβήνει.

Για το σβήσιμο υπάρχουν άλλες φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες, όπως η archaerhodopsin, που ησυχάζουν τον νευρώνα όταν φωτιστεί (Jennings και συνεργάτες, 2013). Έτσι ο ερευνητής μπορεί να ανάψει ένα είδος κυττάρων και να δει τι προστίθεται στη συμπεριφορά, και να το σβήσει και να δει τι χάνεται.

Γιατί αξίζει Νόμπελ

Η οπτογενετική μετέτρεψε μια ερώτηση συσχέτισης σε ερώτηση αιτίας. Πριν από αυτήν η έρευνα στη νευροεπιστήμη στηριζόταν κυρίως στη συσχέτιση ανάμεσα στη δραστηριότητα των νευρώνων και στη συμπεριφορά των ζώων (Kyoto Prize): έβλεπες ότι ένα κύτταρο ανάβει όταν το ζώο πεινά, αλλά δεν μπορούσες να ξέρεις αν ανάβει επειδή το ζώο πεινά ή αν είναι αυτό που προκαλεί την πείνα. Όταν η ενεργοποίηση ενός είδους κυττάρων φέρνει μια συμπεριφορά και η σίγασή τους την εξαφανίζει, η σχέση παύει να είναι συσχέτιση και γίνεται αιτία.

Ο Colin Blakemore, πρόεδρος της επιτροπής επιλογής του Brain Prize, είπε το 2013 ότι ο οπτογενετικός έλεγχος των νευρικών κυττάρων είναι “arguably the most important technical advance in neuroscience in the past 40 years”. Η επιτροπή του Νόμπελ περιγράφει τη μέθοδο ως τρόπο να φανεί πώς οι νευρώνες διαμορφώνουν μνήμες, συναισθήματα και συμπεριφορές στον ζωντανό εγκέφαλο (δελτίο τύπου) και σημειώνει ότι χρησιμοποιείται πλέον σε εργαστήρια σε όλο τον κόσμο για να φωτίσει τα μυστήρια του εγκεφάλου (The Week). Τα πειράματα που ακολουθούν δείχνουν τι σημαίνει αυτό όταν το θέμα είναι η πείνα, η δίψα, η γεύση και η επιθυμία.

Πείνα: οι οκτακόσιοι νευρώνες

Στον υποθάλαμο μια μικρή ομάδα νευρώνων, οι AgRP, ανάβει όταν το ζώο έχει έλλειμμα ενέργειας και το σπρώχνει προς το φαγητό, ενώ δίπλα της κάθεται μια άλλη ομάδα, οι POMC, με τον αντίθετο ρόλο (Chen και συνεργάτες, 2015). Η οπτογενετική έδειξε ότι οι AgRP αρκούν για να σπρώξουν ένα χορτάτο ζώο να φάει, και ότι η δραστηριότητά τους είναι δυσάρεστη για το ζώο.

Το 2011 ο Scott Sternson και η ομάδα του έβαλαν channelrhodopsin είτε στους AgRP είτε στους POMC νευρώνες ποντικών και τους φώτισαν. Όταν ενεργοποιήθηκαν μόνο 800 AgRP νευρώνες, τα ποντίκια άρχισαν να τρώνε λαίμαργα μέσα σε λίγα λεπτά (Aponte και συνεργάτες, 2011), ακόμη και όταν ήταν χορτάτα (Atasoy και συνεργάτες, 2012). Όσο περισσότεροι ήταν οι νευρώνες που φωτίζονταν, όσο πιο συχνοί οι παλμοί φωτός και όσο πιο μακρά η διέγερση, τόσο περισσότερο έτρωγαν, ενώ η ενεργοποίηση των POMC έκανε το αντίθετο και μείωσε την πρόσληψη τροφής και το σωματικό βάρος. Τα ποντίκια έτρωγαν χωρίς να πίνουν και χωρίς καμία εκπαίδευση, κάτι που δείχνει ότι οι νευρώνες αυτοί έχουν αποκλειστικό ρόλο στον συντονισμό του φαγητού.

Η μελέτη ανέτρεψε και μια υπόθεση για τον τρόπο που δουλεύουν τα κύτταρα αυτά. Οι ερευνητές είχαν υποθέσει ότι οι AgRP αυξάνουν την πρόσληψη τροφής επειδή φιμώνουν τα σήματα «σταμάτα να τρως» των POMC, αλλά ο Sternson βρήκε ότι η ενεργοποίηση των AgRP προκαλούσε υπερφαγία ακόμη και σε ποντίκια με γενετικές αλλαγές που έκλειναν ουσιαστικά τα μονοπάτια των POMC (HHMI). Όπως είπε ο ίδιος για το φαγητό, την πείνα και τα κίνητρα που τα συνοδεύουν, “they’re all derived from the activity of neurons in the brain”.

Το 2015 ο Sternson με τον Nicholas Betley έθεσε ένα ερώτημα που παρέμενε ανοιχτό: είναι η πείνα ευχάριστη προσμονή του φαγητού ή δυσάρεστη κατάσταση; Τα ποντίκια απέφευγαν τον χώρο όπου ενεργοποιούνταν οι AgRP νευρώνες και προτιμούσαν γεύσεις και χώρους που συνδέονταν με το σβήσιμο των ίδιων νευρώνων, άρα η δραστηριότητά τους λειτουργεί ως αρνητικό σήμα που διδάσκει το ζώο (Betley και συνεργάτες, 2015). Το ίδιο έδειξαν και τα πειράματα με νευρώνες που προκαλούν δίψα. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τους περισσότερους νευρώνες που είχαν μελετηθεί νωρίτερα για την πείνα, που ενεργοποιούν μονοπάτια ανταμοιβής και προκαλούν θετικά συναισθήματα όταν η πείνα ικανοποιείται (Neuroscience News), και ο Sternson το συνοψίζει λέγοντας ότι υπάρχει “a similar motivational quality to hunger and thirst”.

Πότε σβήνει η πείνα; Οι νευρώνες αυτοί ελέγχονται από ορμόνες και θρεπτικά σήματα που κυκλοφορούν στο αίμα, και τα ομοιοστατικά μοντέλα προέβλεπαν ότι η δραστηριότητά τους θα πέφτει καθώς το φαγητό περνά στον οργανισμό. Ο Zachary Knight και οι συνεργάτες του κατέγραψαν τη φυσική δραστηριότητα των AgRP και POMC νευρώνων σε ποντίκια που είχαν νηστέψει, και μόλις στο κλουβί μπήκε φαγητό, πριν δαγκώσουν το παραμικρό, οι AgRP έσβηναν και οι POMC άναβαν (Chen και συνεργάτες, 2015). Η αλλαγή εξαρτιόταν από την ελκυστικότητα του φαγητού και από το πόσο νηστικό ήταν το ζώο, και οι ίδιοι ερευνητές την περιγράφουν σε επόμενο άρθρο ως ρύθμιση από “the mere sight and smell of food”. Εδώ το φως χρησιμοποιήθηκε για να διαβαστεί η δραστηριότητα και όχι για να ελεγχθεί, με έναν γενετικά κωδικοποιημένο ανιχνευτή ασβεστίου (GCaMP6s), τεχνική συγγενική με την οπτογενετική αλλά διαφορετική από αυτή του βραβείου.

Και το περίφημο «κέντρο σίτισης» του πλάγιου υποθαλάμου αποδείχθηκε ότι δεν είναι ένα κέντρο αλλά ένα κύκλωμα από διαφορετικά κύτταρα. Ο Garret Stuber και η ομάδα του φώτισαν τις ανασταλτικές ίνες που φτάνουν στον πλάγιο υποθάλαμο από το BNST, μια περιοχή γνωστή για τον ρόλο της στον φόβο και στο άγχος, και τα χορτάτα ποντίκια άρχισαν να τρώνε λαίμαργα, ενώ όταν οι ίδιες ίνες σιγάστηκαν με φως, τα νηστικά ποντίκια έτρωγαν λιγότερο (Jennings και συνεργάτες, 2013). Οι ίνες αυτές φιμώνουν διεγερτικούς νευρώνες του πλάγιου υποθαλάμου που ελέγχουν την πρόσληψη τροφής. Ο Hans-Rudolf Berthoud, που μελετά τα μονοπάτια της σίτισης και δεν συμμετείχε στη μελέτη, χαρακτήρισε τον τρόπο λειτουργίας του κυκλώματος “completely unexpected”.

Δίψα: ένας διακόπτης που ανάβει και ένας που σβήνει

Η δίψα ακολουθεί το ίδιο σχέδιο με την πείνα: μια μικρή ομάδα κυττάρων την ανάβει και μια άλλη, δίπλα της, την σβήνει. Για χρόνια οι ερευνητές υποψιάζονταν ότι η δίψα ρυθμίζεται από νευρώνες του υποθαλαμικού οργάνου SFO (subfornical organ), αλλά τα πειράματα με ηλεκτρική διέγερση έδιναν αντιφατικά αποτελέσματα. Ο Yuki Oka εξήγησε ότι οι ηλεκτρικές διεγέρσεις ενεργοποιούσαν πιθανότατα και τους δύο τύπους νευρώνων ταυτόχρονα, και γι’ αυτό οι ερευνητές ήταν “bound to get conflicting results”.

Ο Oka και ο Charles Zuker χρησιμοποίησαν οπτογενετική και ξεχώρισαν δύο ομάδες. Όταν φώτισαν τους διεγερτικούς νευρώνες που εκφράζουν τον παράγοντα ETV-1, τα ποντίκια έπιναν έντονα, μόνο νερό και αμέσως μόλις άναβε το λέιζερ, ακόμη και όταν είχαν χορτάσει νερό. Όταν φώτισαν τους νευρώνες που εκφράζουν τον μεταφορέα GABA VGAT, η κατανάλωση νερού μειώθηκε δραστικά ακόμη και σε ποντίκια που διψούσαν (Oka και συνεργάτες, 2015). Σύμφωνα με τον Zuker, η συμπεριφορά του ποντικιού ήταν ανεξάρτητη από μάθηση, εμπειρία ή περιβάλλον, άρα το κύκλωμα είναι έμφυτο (ScienceDaily).

Το 2019 η ομάδα του Deisseroth κατέγραψε περίπου 24.000 νευρώνες σε 34 περιοχές του εγκεφάλου ενώ διψασμένα ποντίκια έπιναν και χόρταιναν. Όταν ένα σήμα που προέβλεπε νερό έφτανε σε διψασμένο ζώο, η δραστηριότητα απλωνόταν γρήγορα σε όλον τον εγκέφαλο, και αφού το ζώο χόρταινε, η ενεργοποίηση με φως μόνο των νευρώνων δίψας του υποθαλάμου επανέφερε τη δραστηριότητα ολόκληρου του εγκεφάλου στην κατάσταση της δίψας (Allen και συνεργάτες, 2019). Η δίψα, επομένως, δεν είναι ένα συναίσθημα που ζει σε ένα σημείο, είναι μια κατάσταση που αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο όλος ο εγκέφαλος μετατρέπει ό,τι αισθάνεται σε πράξη.

Γεύση: η γλύκα φτιάχνεται στον εγκέφαλο

Οι υποδοχείς της γλώσσας ανιχνεύουν χημικές ουσίες, αλλά το αν κάτι είναι γλυκό ή πικρό, και ελκυστικό ή απωθητικό, αποφασίζεται στον εγκέφαλο. Στον φλοιό γεύσης του ποντικιού η γλύκα και η πίκρα ενεργοποιούν δύο περιοχές που απέχουν περίπου δύο χιλιοστά (Peng και συνεργάτες, 2015). Ο Zuker και η ομάδα του έβαλαν channelrhodopsin σε καθεμία από τις δύο περιοχές και φώτισαν τον εγκέφαλο χωρίς να δώσουν στο ζώο καμία γευστική ουσία, και τα ποντίκια αντιδρούσαν όπως θα αντιδρούσαν στην πραγματική γεύση, με προσέγγιση για τη γλύκα και απώθηση για την πίκρα (Columbia).

Όταν οι ερευνητές σίγαζαν με ένα φάρμακο την περιοχή της γλύκας, τα ποντίκια δεν αναγνώριζαν τη γλύκα αλλά ανίχνευαν ακόμη την πίκρα, και όταν σίγαζαν την περιοχή της πίκρας συνέβαινε το αντίθετο. Η οπτογενετική ενεργοποίηση έδινε την ίδια αντίδραση και σε ζώα που δεν είχαν γευτεί ποτέ γλυκό ή πικρό, κάτι που δείχνει ότι η έλξη προς το γλυκό και η απώθηση από το πικρό είναι έμφυτες (Peng και συνεργάτες, 2015). Σε αυτά τα πειράματα η γλύκα υπήρξε χωρίς γλυκιά ουσία, όταν φωτίστηκε η περιοχή της, και η γλυκιά ουσία δεν αναγνωρίστηκε ως γλυκιά, όταν η περιοχή σιγάστηκε. Όπως το συνόψισε ο Zuker, “taste is all in the brain”.

Εθισμός και φαγητό: η επιθυμία έχει κύκλωμα

Η επιθυμία για κάτι, και η ανάγκη να το κυνηγάς ακόμη και όταν σε βλάπτει, έχει δικά της κυκλώματα που ξεχωρίζουν από εκείνα της πείνας. Το 2009 ο Deisseroth και η Hsing-Chen Tsai έδειξαν ότι οι εκρήξεις δραστηριότητας των νευρώνων ντοπαμίνης στην ventral tegmental area (VTA) αρκούν για να δημιουργηθεί μάθηση: τα ποντίκια προτιμούσαν το διαμέρισμα του κλουβιού όπου έπαιρναν γρήγορες ριπές φωτός, 50 παλμούς το δευτερόλεπτο, χωρίς καμία άλλη ανταμοιβή, ενώ οι αργοί παλμοί του ενός το δευτερόλεπτο δεν είχαν το ίδιο αποτέλεσμα (Tsai και συνεργάτες, 2009, Tsai, διδακτορική διατριβή). Το 2011 ο Antoine Adamantidis και οι συνεργάτες του, ανάμεσά τους ο Deisseroth, έδειξαν ότι η ενεργοποίηση των ίδιων νευρώνων ενισχύει την αναζήτηση τροφής και μπορεί να ξαναφέρει αναζήτηση τροφής που είχε σβήσει, χωρίς κανένα εξωτερικό ερέθισμα (Adamantidis και συνεργάτες, 2011).

Ο εθισμός δεν είναι μόνο ισχυρή επιθυμία, είναι και εξασθενημένη πέδηση. Μελέτες σε ανθρώπους είχαν υποδείξει ότι ο προμετωπιαίος φλοιός δουλεύει χειρότερα σε όσους κάνουν εξαναγκαστική χρήση ουσιών, αλλά δεν ήταν γνωστό αν αυτό προκαλεί την εξαναγκαστική χρήση (Chen και συνεργάτες, 2013). Ο Antonello Bonci και οι συνεργάτες του μελέτησαν αρουραίους στους οποίους η αναζήτηση κοκαΐνης συνεχιζόταν παρά τα ηλεκτρικά σοκ στα πόδια, και βρήκαν ότι στα ζώα αυτά οι πυραμιδικοί νευρώνες του προμετωπιαίου φλοιού (prelimbic cortex) ήταν λιγότερο ευερέθιστοι. Όταν τους διέγειραν με φως η εξαναγκαστική αναζήτηση μειώθηκε, ενώ όταν τους κατέστελλαν αυξήθηκε, και ο Bonci το περιέγραψε απλά: όταν άναβε το λέιζερ, “the compulsive cocaine seeking is gone”.

Το φαγητό συνδέεται με την ανταμοιβή και μέσω του εντέρου. Για χρόνια ίσχυε η υπόθεση ότι οι αισθητηριακοί νευρώνες του πνευμονογαστρικού νεύρου (vagus) που φέρνουν πληροφορία από το έντερο αναστέλλουν τα κυκλώματα ανταμοιβής, και η ομάδα του Ivan de Araujo την αμφισβήτησε ρητά (Han και συνεργάτες, 2018). Οι ερευνητές ενεργοποίησαν με φως τους αισθητηριακούς νευρώνες του εντέρου. Όταν φώτιζαν τον δεξιό κλάδο του νεύρου, τα ποντίκια αυτοδιεγείρονταν, προτιμούσαν γεύσεις και χώρους που συνδέονταν με τη διέγερση και απελευθερωνόταν ντοπαμίνη, ενώ ο αριστερός κλάδος δεν είχε το ίδιο αποτέλεσμα και συνδεόταν με τον κορεσμό (Mount Sinai). Η ομάδα έγραψε στο δελτίο τύπου ότι εξεπλάγη που “only the right vagal branch eventually contacts the dopamine-containing reward neurons”.

Το πιο κοντινό στη δίαιτα είναι το πείραμα της Kay Tye και του Edward Nieh για τη ζάχαρη. Σε ποντίκια που είχαν μάθει να αναζητούν σακχαρόζη με ένα ηχητικό και φωτεινό σήμα, η ενεργοποίηση με φως των νευρώνων που πηγαίνουν από τον πλάγιο υποθάλαμο στη VTA προκάλεσε εξαναγκαστική αναζήτηση σακχαρόζης, δηλαδή αναζήτηση που συνεχίζεται παρά την τιμωρία (Serious Science), και υπερφαγία σε χορτάτα ζώα. Η καταστολή των ίδιων νευρώνων μείωσε την εξαναγκαστική αναζήτηση σακχαρόζης χωρίς να εμποδίσει τα νηστικά ποντίκια να φάνε κανονική τροφή (Nieh και συνεργάτες, 2015). Στα ποντίκια, δηλαδή, το κυνήγι της ζάχαρης και το φαγητό που χρειάζεται το ζώο για να ζήσει περνούν από διαφορετικά κυκλώματα, και ο Nieh σημειώνει ότι έτσι μπορούν να “drive or suppress just the compulsive behavior”.

Έξω από το εργαστήριο και τα όριά της

Η πιο γνωστή εφαρμογή στον άνθρωπο είναι η όραση. Το 2021 μια ομάδα με επικεφαλής τους José-Alain Sahel και Botond Roska ανακοίνωσε ότι ένας άντρας με μελαγχρωστική αμφιβληστροειδοπάθεια (retinitis pigmentosa), τυφλός εδώ και δεκαετίες, ξαναβρήκε μέρος της όρασής του (IOB, Ophthalmology Times). Οι γιατροί του έδωσαν με ένεση το γονίδιο της ChrimsonR, μιας channelrhodopsin που αντιδρά σε πορτοκαλί φως, ασφαλέστερο για τα κύτταρα του αμφιβληστροειδούς από το μπλε, και ο ασθενής φορούσε ειδικά γυαλιά που μετατρέπουν την εικόνα σε φωτεινά σήματα (IOB, Freethink). Η βελτίωση άρχισε να φαίνεται επτά μήνες μετά την ένεση, οι ερευνητές την περιέγραψαν ως την πρώτη περίπτωση μερικής λειτουργικής ανάκαμψης σε νευροεκφυλιστική νόσο με οπτογενετική θεραπεία, και ο Sahel είπε ότι πρόκειται για “a mutation-independent approach for restoring visual function”, προσθέτοντας ότι θα περάσει χρόνος μέχρι να προσφερθεί η θεραπεία στους ασθενείς (IOB).

Στον εγκέφαλο η μέθοδος διευκολύνει τη μελέτη νοσημάτων όπως η νόσος του Parkinson, η νόσος του Alzheimer, η επιληψία, ο πόνος, η σχιζοφρένεια, η ΔΕΠΥ και ο εθισμός (FENS), και, σύμφωνα με άρθρο του BBVA, οι πρωτεργάτες της που βραβεύτηκαν από το ίδρυμα τονίζουν ότι η χρησιμότητά της είναι πρώτα απ’ όλα στη βασική έρευνα (BBVA). Όλα τα πειράματα για την πείνα, τη δίψα, τη γεύση και τον εθισμό που περιγράφηκαν παραπάνω προέρχονται από ποντίκια και αρουραίους. Επιπλέον, το ότι ένα κύκλωμα αρκεί για να προκαλέσει μια συμπεριφορά δεν σημαίνει ότι είναι αυτό που την προκαλεί στη φυσιολογική ζωή, και γι’ αυτό τα καλά πειράματα συνδυάζουν ενεργοποίηση, σίγαση και καταγραφή της φυσικής δραστηριότητας, όπως έγινε στις μελέτες των ομάδων του Stuber και του Knight.

Για όποιον θέλει να ξέρει ποιος έχει συμφέρον: ο Deisseroth είναι συνιδρυτής και μέλος της επιστημονικής συμβουλευτικής επιτροπής της MapLight Therapeutics, εταιρείας που χρησιμοποιεί οπτογενετική στην ανακάλυψη φαρμάκων (ανακοίνωση της MapLight, 6 Οκτωβρίου 2026), και το Stanford έχει δημοσιεύσει αιτήσεις διπλώματος ευρεσιτεχνίας για την τεχνολογία με εφευρέτες τους Boyden και Deisseroth (Stanford Techfinder). Ο Sahel δηλώνει προσωπικά οικονομικά συμφέροντα στη GenSight Biologics, χορηγό της κλινικής δοκιμής, και σε άλλες εταιρείες (CGTLive). Η μελέτη για τη δίψα χρηματοδοτήθηκε από το HHMI και τα NIH (Kavli Foundation), και η μελέτη για την κοκαΐνη έγινε στο ερευνητικό πρόγραμμα του NIDA (NIH IRP).

Το φως και η κρυψώνα

Ο Ηράκλειτος είχε γράψει ότι «φύσις κρύπτεσθαι φιλεῖ», η φύση αγαπά να κρύβεται (Diels-Kranz 22 B 123, όπως παρατίθεται στον Heidegger). Στον εγκέφαλο το ίδιο ίσχυε με τον πιο κυριολεκτικό τρόπο, γιατί τα κύτταρα της πείνας και τα κύτταρα της δίψας ζουν δίπλα σε κύτταρα που κάνουν το αντίθετο, και κανένα εργαλείο δεν μπορούσε να τα ξεχωρίσει. Η κρυψώνα άνοιξε με φως, και το φως ήρθε από μια άλγη που κολυμπά προς τον ήλιο, μελετημένη από ανθρώπους που ήθελαν απλώς να καταλάβουν πώς το κάνει.

Για όποιον ασχολείται με τη διατροφή, το συμπέρασμα είναι ότι η πείνα, η δίψα, η γεύση και η επιθυμία για ζάχαρη δεν είναι μία λειτουργία με πολλά ονόματα αλλά χωριστά κυκλώματα, και ότι μπορείς να θέλεις το γλυκό χωρίς να πεινάς. Αυτό είναι αποτέλεσμα πειραμάτων σε ποντίκια και αρουραίους, και το πόσο μεταφέρεται στον άνθρωπο μένει να φανεί.

Βιβλιογραφία

Επιστημονικές δημοσιεύσεις

Adamantidis AR, Tsai HC, Boutrel B, Zhang F, Stuber GD, Budygin EA, Touriño C, Bonci A, Deisseroth K, de Lecea L (2011). Optogenetic interrogation of dopaminergic modulation of the multiple phases of reward-seeking behavior. Journal of Neuroscience 31(30):10829-10835.

Allen WE, Chen MZ, Pichamoorthy N, Tien RH, Pachitariu M, Luo L, Deisseroth K (2019). Thirst regulates motivated behavior through modulation of brainwide neural population dynamics. Science 364(6437):253.

Anand BK, Brobeck JR (1951). Hypothalamic control of food intake in rats and cats. Περιγράφεται στο Current Contents Citation Classic, 11 Αυγούστου 1980, όπου αναφέρεται και η εργασία των Hetherington AW και Ranson SW (1940), Hypothalamic lesions and adiposity in the rat.

Aponte Y, Atasoy D, Sternson SM (2011). AGRP neurons are sufficient to orchestrate feeding behavior rapidly and without training. Nature Neuroscience 14(3):351-355.

Atasoy D, Betley JN, Su HH, Sternson SM (2012). Deconstruction of a neural circuit for hunger. Nature.

Betley JN, et al. (2015). Neurons for hunger and thirst transmit a negative-valence teaching signal. Nature 521(7551):180-185.

Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K (2005). Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nature Neuroscience 8(9):1263-1268.

Chen BT, Yau HJ, Hatch C, Kusumoto-Yoshida I, Cho SL, Hopf FW, Bonci A (2013). Rescuing cocaine-induced prefrontal cortex hypoactivity prevents compulsive cocaine seeking. Nature.

Chen Y, Lin YC, Kuo TW, Knight ZA (2015). Sensory detection of food rapidly modulates arcuate feeding circuits. Cell 160(5):829-841.

Chen Y, Knight ZA. Making sense of the sensory regulation of hunger neurons. Άρθρο ανασκόπησης.

Han W, et al. (2018). A neural circuit for gut-induced reward. Cell 175(3):665-678.

Hegemann P, Nagel G (2013). From channelrhodopsins to optogenetics. EMBO Molecular Medicine.

Jennings JH, Rizzi G, Stamatakis AM, Ung RL, Stuber GD (2013). The inhibitory circuit architecture of the lateral hypothalamus orchestrates feeding. Science 341(6153):1517-1521.

Nagel G, et al. (2002). Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae. Science, 28 Ιουνίου 2002.

Nagel G, Szellas T, Huhn W, Kateriya S, Adeishvili N, Berthold P, Ollig D, Hegemann P, Bamberg E (2003). Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. PNAS 100(24):13940-13945.

Nieh EH, Matthews GA, Allsop SA, Presbrey KN, Leppla CA, Wichmann R, Neve R, Wildes CP, Tye KM (2015). Decoding neural circuits that control compulsive sucrose seeking. Cell 160(3):528-541.

Oka Y, Ye M, Zuker CS (2015). Thirst driving and suppressing signals encoded by distinct neural populations in the brain. Nature 520(7547):349-352.

Olds J, Milner P (1954). Positive reinforcement produced by electrical stimulation of septal area and other regions of rat brain. Journal of Comparative and Physiological Psychology 47:419-427. Περιγράφεται στο Ingestive Classics.

Peng Y, Gillis-Smith S, Jin H, Tränkner D, Ryba NJP, Zuker CS (2015). Sweet and bitter taste in the brain of awake behaving animals. Nature 527(7579):512-515.

Rolls ET (1981). Central nervous mechanisms related to feeding and appetite. British Medical Bulletin 37(2):131-134.

Sahel JA, Boulanger-Scemama E, Pagot C, et al. (2021). Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy. Nature Medicine 27(7):1223-1229. Δείτε το δελτίο τύπου και το άρθρο του CGTLive.

Tsai HC, Zhang F, Adamantidis A, Stuber GD, Bonci A, de Lecea L, Deisseroth K (2009). Phasic firing in dopaminergic neurons is sufficient for behavioral conditioning. Science 324(5930):1080-1084.