ויהי אור

בהודעה שהרעישה את העולם, הכריזו פרנסיס קריק וג'יימס ווטסון ב-1953 כי פענחו את מבנה ה-DNA והציגו את הסליל הכפול. הגילוי, ששינה במובנים רבים את מדעי החיים, פתח בפני עולם המדע חלון לתחום חדש ומרגש - הביולוגיה המולקולרית.

קריק הבין שהחלבונים, "המכונות המולקולריות" שמבצעות את מרבית התפקידים הביולוגיים של היצור החי, מיוצרים לפי "הוראות" הכתובות בחומר הגנטי. הגנים, רצפים ארוכים של בסיסי DNA, מקודדים את רצף החלבונים ומהווים את "ספר ההוראות" ליצירת כל חלבוני הגוף.

במהלך העשור שאחרי פריצת דרך זו ניסח קריק את "הדוגמה המרכזית" של הביולוגיה המולקולרית. ואז, משהחליט כי השאלות המרכזיות של הביולוגיה המולקולרית נפתרו, פנה קריק לעסוק בשאלה לא פחות קשה, מסקרנת ומלהיבה. הוא רצה לדעת מהם יסודותיה הביולוגיים של התודעה האנושית.

קריק עבר מאנגליה לארצות-הברית ושימש כמדען אורח במכון סאלק שבסן-דייגו. שם, מוקף במיטב המוחות הצעירים של עולם המדע, הוא החל לעסוק בשאלת התודעה. כרציונליסט מובהק, קריק האמין שמחשבותינו, רגשותינו, תפיסתנו העצמית - כל מה שהופך אותנו לאנושיים - הם תוצאה ישירה של פעילותם החשמלית והכימית של עשרות מיליוני תאי העצב (נוירונים) של המוח האנושי.

הוא סבר (בניגוד לדעת רבים בתחום), כי אין להותיר את שאלת התודעה כתחום דיון פילוסופי בלבד. אפשר להשיג ולהסביר את התודעה, הוא טען, באמצעות הכלים המדעיים והמתודה המדעית היסודית. זאת, כמובן, בתנאי שיישאלו השאלות הנכונות.

בעקבות עבודתו של קריק וגילוי הקוד הגנטי הכירה הביולוגיה המולקולרית את אבני הבניין היסודיות (בסיסי ה-DNA). כבר בשנות ה-70 המאוחרות של המאה העשרים ניתן היה לקרוא את הקוד הגנטי, לשנותו באמצעים פשוטים יחסית ולחקור את התוצאות של שינויים גנטיים כאלה על מנת להבין את תפקידם והשפעתם של גנים ספציפיים. לעומת זאת, המוח, האיבר שאחראי להתפתחות התודעה על-פי תפיסות מדעיות מודרניות, היה בבחינת "קופסה שחורה" כמעט.

על פני נפח מזערי של מילימטר מעוקב במוח פזורים עשרות סוגים שונים של נוירונים, המבצעים פעולות שונות וקשורים זה לזה בעשרות אלפי קשרים (סינפסות). שני נוירונים המקושרים זה לזה ומשתתפים בביצוע פעולה מסוימת, או מייצגים פריט מידע אחד, עשויים להיות, פיזית, רחוקים ביותר זה מזה, וברוב המקרים לא ניתן לבודד יחידות תפקודיות על בסיס מיקומם של הנוירונים המעורבים בהן.

לדוגמה, בכל חלקי המוח כמעט ניתן למצוא שני סוגי נוירונים: אקסיטטוריים (מעוררים) ו"אינהיביטוריים" (מעכבים). הנוירונים האקסיטטוריים מגבירים את הפעילות של שכניהם, ואילו האינהיביטוריים מבצעים פעולה הפוכה לחלוטין – מחלישים אותה.

עם זאת, בכל רחבי המוח, ובמיוחד בקליפת המוח (הקורטקס), נוירונים משני הסוגים מעורבבים יחד, כך שלא ניתן להפריד ביניהם אלא על-פי המאפיינים הגנטיים שלהם. הרשת המסועפת הזו, על כל מורכבותה, היא גם דינמית ביותר, והסינפסות מסוגלות להתחזק, להיחלש, להיווצר ולהיעלם בתגובה לשינויים בתפקוד הרשת.

המורכבות המדהימה של המערכת הזו היא גם הסיבה העיקרית לקושי הגלום בחקר המוח. על מנת לבודד את ההשפעה של נוירון בודד, של קבוצת נוירונים או של אזור שלם במוח, דרושים כלים אשר יוכלו להתמודד עם המורכבות הזו. במאמר שפרסם קריק ב-1979 בעיתון "Scientific American", הוא כתב כי "האתגר הגדול העומד בפני חקר המוח, הוא הצורך לשלוט בדיוק רב על פעולתו של נוירון בודד מבלי להשפיע על שכניו".

קריק סבר כי רק גישה רב-תחומית, המשלבת ביולוגיה מולקולרית, טכניקות חדשות להפעלה מדויקת של יחידות תפקודיות במוח ושיטות חדשניות לניתוח נתונים, תוכל לקרב אותנו להבנה עמוקה יותר של פעולת המוח והתודעה

חיידקים חובבי מלח "רואים את האור"

בשנת 1973, שש שנים לפני שקריק ניסח את ההיפותזה שלו לגבי המוח והצביע על הצורך בשיטות חדשות, עבדו שני מדענים מאוניברסיטת סן פרנסיסקו על חלבונים מיקרוביאליים (חלבונים המצויים במיקרו-אורגניזמים) בבריכות מלח בדרום מפרץ סן פרנסיסקו. במחקר, שכל קשר בינו לבין חקר המוח נראה מקרי בלבד, ניסו דיטר אוסטרהלט וולטר סטוקניוס לברר, כיצד מצליח מין קדום של חיידקים מסוג Archaea לשרוד בתנאים הכמעט בלתי אפשריים של מליחות גבוהה וריכוז חמצן נמוך, ששררו בבריכות המלח.

אוסטרהלט וסטוקניוס מצאו שעל מנת להתמודד עם תנאי המחיה הבלתי אפשריים, יצורים חד-תאיים אלה מסוגלים לדחוק יוני מימן מן הסביבה התוך-תאית החוצה, ובכך ליצור מצב שבו, בגלל הריכוז הנמוך שלהם בתוך התא, יוני המימן "שואפים" לחזור אליו כדי ליצור איזון אלקטרוכימי. תוך כדי כניסתם חזרה לתא מפעילים יוני המימן מערכת לייצור אנרגיה, המסוגלת, בהיעדר חמצן, לספק לתא את כל צרכיו.

עוד התברר במחקר כי על מנת שמערכת ה"גיבוי" הזו תופעל בהצלחה ותצליח לייצר אנרגיה, דרוש דבר אחד - אור. אוסטרהלט וסטוקניוס מצאו של"משאבת היונים" אחראי חלבון אחד, שעושה שימוש באנרגיית האור על מנת לשאוב את יוני המימן אל מחוץ לתא.

את החלבון הזה הם כינו Bacteriorhodopsin (בקטריורודופסין), שם שמורכב משתי מילים – בקטריה (חיידק) ורודופסין, שמו של החלבון המצוי בתאי הרשתית של כל בעלי החיים הרואים. אצל אלה האחרונים, החלבון רודופסין ממיר את אנרגיית האור הפוגע ברשתית לאותות כימיים/ביולוגיים, ובכך מאפשר את הראייה. בקטריורודופסין, אם כך, היווה מעין מקבילה חיידקית של חלבון הראייה המוכר.

הגילוי של בקטריורודופסין היכה גלים, ועם הזמן העמיקה ההבנה של מנגנון הפעולה של החלבון המופלא הזה. המחקרים תיארו, שלב אחר שלב, את התהליכים המולקולריים המתרחשים בחלבון מרגע שפוגע בו פוטון (חלקיק אור) בודד ועד העברת יון מימן אחד. עולם הביופיזיקה המשיך לעסוק במציאת חלבונים חדשים, בני משפחה של בקטריורודופסין, שמתמירים את אנרגיית האור, ובאפיונם של החלבונים הייחודיים הללו תוך העמקה במבנה ובתפקוד שלהם.

כך, למשל, החלבון Halorhodopsin (האלורודופסין), שהתגלה בסוף שנות השבעים, משמש, בדומה לבקטריורודופסין, כמשאבת יונים, אך בשונה מבקטריורודופסין, האלורודופסין שואב יוני כלור (בעלי מטען שלילי) מן הסביבה החוץ-תאית אל תוך התא. בכל אותה תקופה של ניסויים והצלחות היה ענף מחקרי זה חלק מהביופיזיקה והמיקרוביולוגיה, ולא היה כל קשר, לכאורה, בין עולם זה לבין חקר המוח.

לקראת סוף שנות התשעים בשלה הטכנולוגיה המאפשרת לקרוא, בסיס אחר בסיס, את הרצף הגנומי – רצף בסיסי ה-DNA – בחומר הגנטי של אורגניזמים שלמים. מה שהחל ב"פרויקט הגנום האנושי", התרחב לכלל מאמץ לקרוא ולהבין את הגנום של כל המינים אשר עניינו באופן כלשהו את עולם המדע. קבוצות מחקר אקדמיות, ממשלתיות ופרטיות, החלו לפרסם רצפים גנטיים שלמים מיצורים חיים חד-תאיים, אשר ניתן היה להניח שיהיו שימושיים לקהילה המדעית ולתעשייה.

משרד האנרגיה האמריקאי הקים את ה-Joint Genome Institute, וזה החל לפרסם רצפי DNA שלמים של אורגניזמים שונים, שהיו עשויים לשמש במחקר בתחומים שונים, כגון חקלאות, מקורות אנרגיה חלופיים ומחקר רפואי. ביפן, קבוצת מחקר בשם קאזוסה החלה לפרסם רצפים גנטיים של אצות, צמחים, חיידקים ווירוסים. עולם המדע הוצף בשפע אדיר של רצפים גנטיים, רובם לא מוכרים, שהיו זמינים לכול והיוו כר נרחב לגילויים חדשים.

בין האורגניזמים הראשונים שנבחרו על-ידי קאזוסה היו האצות החד-תאיות מסוג Chlamydomonas reinhardtii. מדובר ביצורים בגודל של מאית המילימטר, המסוגלים לנוע אל מקורות אור באמצעות מערכת "ראייה" פרימיטיבית. מערכת זו מאפשרת להם להפעיל שני מנועים ביולוגיים, ובאופן זה לנווט לעבר אזורים, שבהם ניתן להשתמש באור השמש על מנת לייצר אנרגיה.

האצה C. reinhardtii הייתה מושא למחקר בתחומים רבים, החל במנגנוני הפעולה של מנועים ביולוגיים וכלה בדרכים חדשניות לייצור אנרגיה (אצות אלה ידועות ביכולתן לייצר מימן כמקור אנרגיה חלופי לחמצן).

בשנת 2001 מצאו שני מדענים צעירים, פיטר הגמן וגיאורג נאגל, בתוך אוסף רצפי ה- C. reinhardtii של קבוצת קאזוסה, גן הדומה באופן מפליא לגן האחראי על ייצור החלבון בקטריורודופסין, שהוזכר לעיל. הם הניחו שהתוצר שלו (החלבון) עשוי להיות ה"עין" המולקולרית של האצה, שמאפשרת לה לנווט אל מקורות האור. הם בודדו את הגן החדש וייצרו את החלבון המקודד ברצף ה-DNA שלו. החלבון החדש אכן היה דומה לבקטריורודופסין, אך שונה מספיק על מנת לעורר את סקרנותם של הגמן ונאגל.

הגמן ונאגל השתמשו בטכניקות גנטיות על מנת לגרום לתאים חיים לייצר את החלבון החדש. כאשר האירו על התאים המכילים את החלבון באור כחול, נפתחה מעין "תעלה" על פני קרום המעטפת (הממברנה) של התא: יונים בעלי מטען חיובי (נתרן, אשלגן וסידן) החלו לנוע אל תוך התא, ובכך שינו את המאזן החשמלי על פני הממברנה.

הם קראו לחלבון החדש Channelrhodopsin (צ'אנלרודופסין), משום שהסיקו שבניגוד ל"משאבות" הביולוגיות (כגון בקטריורודופסין והאלורודופסין), הצ'אנלרודופסין מאפשר ליונים לזרום לתוך התא באופן חופשי - כמובן, רק בזמן שהוא מואר.

סינתזה בלתי צפויה

הגמן ונאגל ידעו שהנוירונים רגישים ביותר לשינויים במטענם החשמלי. ברגע שכמות מספקת של מטענים חיוביים חודרת אל תוך התא, הנוירון מייצר אות חשמלי, שגורם לשחרור חומרים הנקראים נוירוטרנסמיטורים והפעלה של כל הנוירונים אליהם הוא מחובר באמצעות קשרים סינפטיים. לפיכך היה ברור להם שאם יצליחו לגרום להיווצרותן של התעלות החדשות הללו בתוך הנוירונים, ניתן יהיה לשלוט על פעולתם החשמלית באמצעות הארה באור כחול.

בכך יוגשם, למעשה, חזונו הישן של פרנסיס קריק – נוירון שמכיל את הצ'אנלרודופסין יופעל באופן מיידי על-ידי אור כחול, אך נוירון אשר אינו מכיל את הגן הדרוש לייצורו, יישאר אדיש לאור. כך תתאפשר הסלקטיביות הדרושה על מנת להתחיל ולהתמודד עם המורכבות האדירה של המוח.

על מנת לגרום לנוירון לייצר את חלבון הצ'אנלרודופסין ולהביאו אל ממברנת התא, שם הוא יוכל לפעול את פעולתו בתגובה לאור, נדרשו כלים גנטיים אשר יאפשרו להחדיר את הגן (המופק מהאצה reinhardtii C.) אל תוך הנוירונים. הממצאים מעבודתם של נאגל והגמן התפרסמו בשני מאמרים, בשנים 2001 ו-2002, ועם הפרסום החלו השניים לחפש חיבור אל מדענים מתחום המוח, אשר יוכלו לממש את ההבטחה הגלומה בצ'אנלרודופסין.

קרל דייסרות, מדען אמריקאי צעיר אשר סיים באותה עת את הכשרתו כפסיכיאטר וגם השלים דוקטורט בחקר המוח באוניברסיטת סטנפורד, החליט לנסות ולבדוק עד כמה מציאותי הרעיון ה"משוגע" – לקחת גן המקודד לחלבון שמקורו באצות חד-תאיות, להחדיר אותו לנוירונים במוח באמצעות שיטות של הנדסה גנטית, וכתוצאה מכך לאפשר לשלוט בפעולתם של הנוירונים ה"מהונדסים" באמצעות אור בלבד.

דייסרות, יחד עם מספר סטודנטים שהצטרפו למעבדתו שהוקמה באותה שנה, גידלו תאי מוח בצלחת פטרי, ובאמצעות שיטות גנטיות החדירו אליהם את הגן האחראי לייצור הצ'אנלרודופסין. רבים חשבו שניסוי מעין זה הוא חסר סיכוי. החלבון צ'אנלרודופסין, שמקורו באצות, שונה במאפייניו מחלבוני הנוירון. במקרים רבים חלבונים מאורגניזמים "נמוכים" אינם מתבטאים היטב בתאי יונקים.

על מנת לפעול, חלבוני הצ'אנלרודופסין זקוקים למולקולה הנקראת רטינל (retinal) – נגזרת של ויטמין A (שדרושה גם לפעילותה של הרשתית), ולא היה ברור האם נוירונים מחוץ לרשתית ועמוק בתוך המוח מכילים רטינל בכמות מספקת, על מנת לאפשר את פעילותם של חלבוני הצ'אנלרודופסין.

דייסרות ועמיתיו לקחו את צלחת הפטרי ובה הנוירונים טעוני הצ'אנלרודופסין אל מתחת למיקרוסקופ, ורשמו את פעילותם החשמלית. אל המיקרוסקופ הוצמדה מנורה רבת עוצמה אשר ניתנת להפעלה מהירה, ברמת דיוק של אלפית השנייה. עם כל הבזק של אור כחול שהועבר אל התאים דרך מערכת המיקרוסקופ, רשמו החוקרים תגובה חשמלית מיידית של התאים המוארים.

הממצאים הראשונים של מחקר זה פורסמו בשנת 2005. השיטה החדשה להפעלת נוירונים באמצעות אור נקראה אופטוגנטיקה (optogenetics) – שילוב של כלים גנטיים עם אור לצורך שליטה על פעילותם החשמלית של תאים.

במאמר המשך, שהתפרסם בשנת 2007, הציגה הקבוצה שיטה חדשה ל"השתקת" הפעילות של נוירונים באמצעות אור. הפעם בחרו החוקרים להחדיר את החלבון האלורודופסין ("משאבת" הכלור) לתוך הנוירונים. נמצא שאור צהוב "השתיק" את פעילותם החשמלית של התאים אליהם הוחדרו יוני הכלור בעלי המטען השלילי, ומנע מהם לתקשר עם הנוירונים המחוברים אליהם.

כעת ניתן היה, אם כך, להשתמש באור בשני צבעים (כחול וצהוב) על מנת לשלוט באופן דו-כיווני על פעולתם החשמלית של נוירונים. היתרון העצום של כלים חדשים אלה היה היכולת לשלוט, באמצעים גנטיים, על זהותן של קבוצות התאים שיבטאו את החלבונים. צ'אנלרודופסין והאלורודופסין מגיבים לאור באופן כמעט מיידי (תוך מספר אלפיות השנייה), טווח זמן המתאים באופן מופלא לקצבי פעולתם של נוירונים.

פרסומים אלה יצרו עניין אדיר בתחום חקר המוח. חוקרים מכל העולם החלו להשתמש בכלים חדשניים אלה, כדי להפעיל או להשתיק תאים מסוגים שונים במוח ולבחון, בפעם הראשונה, את הקשרים הסיבתיים בין פעילותם של נוירונים כאלה ואחרים ובין תופעות פיזיולוגיות והתנהגותיות הקשורות לפעילותם.

האינדיקציה הראשונה כי יש סיכוי ששיטה זו תעבוד לא רק במעבדה, אלא in-vivo, במוח החי (בחיות או, בעתיד, בבני אדם) התקבלה, כאשר חוקרים מאוניברסיטת דיוק שבצפון קרוליינה הצליחו לייצר עכבר מהונדס גנטית (עכבר טרנס-גני), שהכיל את הגן המקודד לצ'אנלרודופסין - אותו גן שהוחדר בסטנפורד לקבוצת תאים מסוימת בקליפת המוח (קורטקס) וגרם להם להגיב לאור.

אנשי קבוצתו של דייסרות בסטנפורד קיבלו את העכברים הללו, הצמידו לראשו של העכבר סיב אופטי שחובר ללייזר המייצר אור כחול, והאירו באמצעותו על אזור במוח האחראי לתנועה (הקורטקס המוטורי). ברגע שהלייזר האיר את האזור המדובר דרך הסיב האופטי, החל העכבר לצעוד במעגלים בהתאם לעוצמתם ולתדירותם של הבזקי הלייזר.

הניסוי הפשוט הזה ראוי לציון מפני שהוא הבהיר, כי הטכנולוגיה החדשה, המשלבת הנדסה גנטית, כלים מולקולריים חדשים וטכנולוגיה מאפשרת (enabling technology) אופטית והנדסית, תוביל לפריצת דרך ביכולתם של מדענים לשלוט באופן מדויק בפעילות המוח.

בשנים האחרונות התמקדנו, עמיתי ואני בקבוצתו של דייסרות באוניברסיטת סטנפורד, בהרחבת התחום באמצעות פיתוח של כלים אופטוגנטיים חדשים ובפיתוח יישומים חדשים לכלים הקיימים. ביצענו שינויים בחלבון הצ'אנלרודופסין באמצעות הנדסה מולקולרית ויצרנו תעלות חדשות בעלות רגישות גבוהה לאור באורכי גל (צבעים) שונים, כך שניתן להפעיל בצבעי אור שונים קבוצות שונות של נוירונים באותו מיקום במוח.

על-ידי שינויים בקצבי הפעולה של הצ'אנלרודופסין יצרנו כלים בעלי יכולת פעולה על פני פרקי זמן ארוכים ביותר (עד עשרות דקות), אשר עשויים לשמש בעתיד להפעלה או להשתקה כרונית של נוירונים, הן במחקר והן ביישומים קליניים. באמצעות כלים חדשים אלה, שפיתחנו בשיתוף פעולה עם קבוצתו של פיטר הגמן בברלין, אנו חוקרים כעת את התופעות הפיזיולוגיות וההתנהגותיות הנובעות משינויים ביחס שבין פעילות נוירונים אקסיטטוריים ואינהיביטוריים באזור קליפת המוח הקדמי (frontal cortex).

המוח הקדמי מעורב בתהליכי חשיבה גבוהים ובאינטגרציה בין מערכות שונות במוח. עדויות רבות גם מצביעות על כך, שפגיעה בתפקודו התקין של אזור זה קשורה במחלות פסיכיאטריות והתפתחותיות, כמו סכיזופרניה ואוטיזם. אחת ההיפותזות המרכזיות לגבי המנגנון שעומד בבסיס הפרעות אלה, היא שינויים ביחסי הגומלין שבין אקסיטציה ואינהיביציה באזור המוח הקדמי.

באמצעות הכלים האופטוגנטיים אנו מסוגלים, בפעם הראשונה, לשלוט באופן ישיר ובצורה מבוקרת בפעילות התאים האקסיטטוריים והאינהיביטוריים במוח הקדמי, ובכך לבחון באופן ישיר את השינויים הפיזיולוגיים וההתנהגותיים הנובעים מהמניפולציה על אוכלוסיות נוירונים אלה.

מדוע "שליטה"?

התפתחות המחקר מצביעה על כך, שבאמצעות הגנים המקודדים והאור המוקרן עליהם ניתן יהיה לשלוט ולכוון את פעולות המוח בתחומים רבים. מדוע אנו צריכים "לשלוט" על פעילותם של נוירונים? הקורא הסביר ודאי מדמיין עכשיו מגוון רחב של סרטי מדע בדיוני שעסקו בנושא, ותוהה על השלכותיה המעשיות והפילוסופיות של "יכולת" כזו, אם וכאשר תתממש. מעבר למדע בדיוני (או לא) עתידי, הצורך לשלוט על המערכת אותה אנו חוקרים, הוא צורך בסיסי במדע. הוא מאפשר לשאול שאלות מדויקות לגבי תרומתם של אלמנטים מוגדרים במערכת לתפקודה הכולל, ובנוסף הוא תורם למחקר וניסוי מדויקים.

קיימות כיום שיטות רבות המאפשרות למדענים ללמוד על פעילות המוח גם ללא שליטה, החל ברישומים חשמליים של "גלי מוח" (EEG), דרך שיטות הדמיה כגון functional MRI וכלה ברישומים חשמליים מאלקטרודות המושתלות בתוך המוח.

שיטות אלה מאפשרות לחוקרים להבין כיצד מייצג המוח מידע, מתי ואיך הוא מגיב לגירויים חושיים, ואפילו איך משתנים מבנה המוח ופעילותו כתוצאה ממחלות הפוגעות בו. אך מהמידע שמתקבל משיטות אלה, אף שהוא לעתים מרתק ומאפשר לנו להבין יותר את פעילות המוח קשה ללמוד על הקשרים הסיבתיים בין פעילותם של נוירונים מסוימים, או של קבוצות נוירונים, לבין התוצר הסופי של פעולת המוח - התנהגות.

כדי ללמוד על תפקידו של גן מסוים ועל מידת חשיבותו לתפקוד האורגניזם השלם, נהוג בגנטיקה לבצע מניפולציה הנקראת knock-out – ביטול הגן על-ידי "מחיקתו" מה-DNA. מתוצאות הנוק-אאוט ניתן ללמוד על תפקידו של הגן התקין. ואכן, באמצעות עבודה שיטתית וביטול פעולתם של גנים בודדים, בזה אחר זה, מצליחים מדענים לעמוד על תפקידם של גנים וחלבונים מוגדרים בהתפתחותו ובפעולתו של היצור החי.

גם המוח, שרבים טוענים כי הוא האיבר המורכב ביותר בגוף האנושי, נוצר באופן שמוכתב על-ידי פעולתם של גנים. אך בשונה מאיברים אחרים (ובדומה אולי למערכת החיסון, שגם היא בעלת "יכולת למידה"), המוח עובר כל הזמן תהליך של עיצוב, המוגדר על-ידי האירועים האינדיבידואליים שמהווים את "חוויית היחיד".

במקרים רבים חלקה של הגנטיקה בעיצוב תפקודו של המוח הבוגר קטן מחלקם של התהליכים הפלסטיים המעצבים באופן בלתי פוסק את המוח, כך שהתוצר הסופי רחוק מלהיות "מוגדר מראש" ונמצא במצב תמידי של שינוי.

זה זמן רב ידוע, כי פגיעות באזורים שונים במוח מסוגלות לגרום להפרעות מנטליות מסוגים שונים ומשונים. בספר – וזו רק דוגמה אחת - "האיש שחשב שאישתו היא כובע", מתאר הנוירולוג אוליבר סאקס מגוון רחב של חולים בהם טיפל, שכל אחד מהם פיתח, כתוצאה מפגיעות מוחיות מסוגים שונים, דפוס התנהגות ייחודיי.

מצד שני, טיפולים חדשניים למחלות כמו פרקינסון ודיכאון קליני מאפשרים היום לחולים שאינם מגיבים לטיפול תרופתי לקום וללכת, או לחלופין, לצאת ממרה שחורה הנמשכת שנים, וזאת באמצעות גירויים חשמליים המועברים דרך אלקטרודות המושתלות במוחם.

למרות ההצלחות בטיפול, אלקטרודות הן כלי גס ביותר. זרם חשמלי המועבר אל תוך המוח, מפעיל את כל סוגי התאים אשר נמצאים סביב האלקטרודה. העובדה שמחלות מסוימות ניתנות בכל זאת לטיפול באמצעות כלי זה מלמדת אותנו, שאם נוכל לשלוט טוב יותר באופיין של המניפולציות שאנו מבצעים, נוכל אולי להרחיב את מגוון המצבים הקליניים הניתנים לטיפול.

בעשור האחרון גדל אחוז הסובלים ממחלות פסיכיאטריות באוכלוסייה הכללית לכדי 25%, ושיעור זה צפוי לעלות ככל שהחברה שבה אנו חיים תמשיך להתקדם טכנולוגית ותוחלת החיים הממוצעת שלה תהיה גבוהה יותר. גם אם התועלת הגלומה בהארכת תוחלת החיים היא עניין שניתן להתווכח עליו, אין מחלוקת על העובדה שהפגיעות המוחיות המובילות למחלות כגון סכיזופרניה, דיכאון קליני, אלצהיימר ופרקינסון, הן נטל כבד על הפרט ועל החברה.

שיטות חדשות לחקר המוח, וביניהן האופטוגנטיקה, יאפשרו להבין טוב יותר את המערכת המורכבת הזו, ואולי אף יהוו בסיס לטיפולים חדשניים אשר יהיו מותאמים יותר למאפיינים הייחודיים של המוח, על מורכבותו, גיוונו ומערכות הקשרים המסועפות שלו.

אם נניח לרגע את קפיצות הדרך המדעיות שכבר אירעו, ואת היישומים הרפואיים אשר, ללא ספק, ינבעו בעתיד מכניסתה של האופטוגנטיקה לעולם המדעי ולחקר המוח, סיפור לידתה של הטכנולוגיה הזו הוא קודם-כול סיפור על הצלחת מתודת המדע הבסיסי.

הסינתזה שהתרחשה בשנות האלפיים בין חלבונים מיקרוביאליים כבקטריורודופסין, מידע גנומי זמין לכול, הנדסה גנטית מתקדמת וטכנולוגיה אופטית והנדסית לא הייתה מתאפשרת אלמלא התקדמו תחומים אלה באופן עצמאי, נפרד ובלתי תלוי, ויצרו את בסיס הידע הרחב שאיפשר את הסינתזה המופלאה הזו.

המאמר המלא התפרסם בגיליון מספר 11 של כתב העת "אודיסאה-מסע בין רעיונות".