کنترل مغز با نور؛ کشفی که جایزه نوبل پزشکی ۲۰۲۶ را برد

به گزارش خبرنگار دانشگاه خبرگزاری دانشجو، صبح دوشنبه ۵ اکتبر ۲۰۲۶، تلفن سه دانشمند در نقاط مختلف جهان به صدا درآمد؛ تماسی از سوئد که مسیر چند دهه پژوهش درباره مغز و سلول‌های عصبی را به مهم‌ترین صحنه علمی جهان برد. کارل دیسروث از آمریکا و پیتر هگمان و گئورگ ناگل از آلمان، برنده جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی ۲۰۲۶ شدند؛ جایزه‌ای برای کشفیاتی که راهی تازه برای مطالعه مغز گشود: اپتوژنتیک، یا کنترل فعالیت سلول‌های عصبی با نور.

نیمه‌شب بود و خانه کارل دیسراث در پالو آلتو آرام. بیشتر اعضای خانواده خواب بودند و تلفن او زنگ خورد، اما او تماس را از دست داد. چند ثانیه بعد تلفن همسرش، میشل مونژه-دیسراث، به صدا درآمد. آن سوی خط تنها یک سؤال بود: «می‌توانیم با کارل صحبت کنیم؟» تماس از سوئد بود؛ تماسی که چند لحظه بعد زندگی یک دانشمند را به یکی از مهم‌ترین خبرهای علمی سال تبدیل کرد. کمیته نوبل اعلام کرده بود که کارل دیسراث، دانشمند آمریکایی، به همراه پیتر هگمان و گئورگ ناگل، جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی ۲۰۲۶ را دریافت می‌کنند؛ برای کشفی که شیوه مطالعه مغز را دگرگون کرده است.

دیسراث بعدها گفت که در لحظه شنیدن خبر «کاملاً غافلگیر» شده بود. آن‌قدر غافلگیر که برای حدود ۳۰ ثانیه توانایی پیدا کردن کلمات را از دست داده بود. برای دانشمندی که سال‌ها درباره سازوکار مغز، سلول‌های عصبی و رفتار انسان تحقیق کرده، شاید همین واکنش انسانی در برابر بزرگ‌ترین افتخار علمی جهان، یکی از جالب‌ترین لحظات داستان باشد. همسرش اما ظاهراً چندان غافلگیر نشده بود؛ خودش می‌گفت از مدت‌ها قبل می‌دانسته که کارل شایسته این جایزه است.

در خانه‌ای که آن شب هنوز فرزندان خواب بودند، خبر نوبل خیلی زود به یک اتفاق خانوادگی تبدیل شد. الکساندر، پسر ۱۸ ساله دیسراث، صبح با پیام مادرش از خواب بیدار شد: «ما خبر داریم!» وقتی با پدرش تماس گرفت و شنید که از استکهلم با او تماس گرفته‌اند، تقریباً بلافاصله فهمید چه اتفاقی افتاده است. چند دقیقه بعد خودش را به خانه رساند. دختر ۱۰ ساله خانواده نیز وقتی بیدار شد و ماجرا را فهمید، جمله‌ای ساده گفت که شاید از بسیاری از تحلیل‌های رسمی گویاتر بود: «بابا، همه جایزه‌ها را بردی!»

اما تصویر صبح نوبل در خانه دیسراث با تصور معمول از زندگی یک برنده نوبل تفاوت داشت. او همچنان باید برای فرزندانش صبحانه و ناهار مدرسه آماده می‌کرد. زندگی روزمره، حتی در صبحی که نام او در سراسر جهان منتشر شده بود، متوقف نشده بود. در همان خانه، میان کتاب‌ها، عکس‌های خانوادگی و تماس‌های پیاپی خبرنگاران، دیسراث درباره کشفی صحبت می‌کرد که حاصل نزدیک به دو دهه کار علمی او و همکارانش بود.

شاید این تضاد، یعنی فاصله میان عظمت یک جایزه جهانی و سادگی زندگی روزمره، برای شناخت شخصیت دیسراث مهم باشد. مادرش، لوئیز دیسراث، او را از کودکی فردی کنجکاو توصیف می‌کند؛ کودکی که مجذوب دنیای طبیعی بود، حرکت مورچه‌ها را تماشا می‌کرد، به موج‌های دریا نگاه می‌کرد و می‌توانست مدت زیادی روی یک موضوع تمرکز کند. به گفته او، پسرش نه‌تنها به یادگیری علاقه داشت، بلکه از همان کودکی ارزش تلاش و انرژی لازم برای رسیدن به هدف را می‌فهمید.

همین کنجکاوی بعدها او را به نقطه‌ای رساند که پزشکی، مهندسی و علوم اعصاب را به هم پیوند زد. دیسراث امروز هم‌زمان استاد مهندسی زیستی و روان‌پزشکی و علوم رفتاری در دانشگاه استنفورد است؛ ترکیبی که تا حد زیادی نشان‌دهنده مسیر علمی غیرمعمول اوست. او تنها به دنبال فهمیدن مغز نبود؛ می‌خواست ابزارهایی بسازد که بتوانند این فهم را ممکن کنند.

مسئله‌ای قدیمی: مغز چگونه کار می‌کند؟

مغز از میلیاردها سلول عصبی تشکیل شده است؛ سلول‌هایی که دائماً با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند و شبکه‌ای پیچیده برای حرکت، احساس، حافظه، خواب، تصمیم‌گیری و بسیاری از عملکردهای بدن می‌سازند.

دانشمندان سال‌ها می‌توانستند ببینند هنگام انجام یک رفتار خاص، کدام قسمت‌های مغز فعال‌تر می‌شوند. اما یک مشکل اساسی وجود داشت: دیدن فعالیت یک بخش از مغز الزاماً به معنای اثبات نقش آن در یک رفتار نبود.

وقتی یک خاطره شکل می‌گیرد، وقتی احساسی تجربه می‌شود یا وقتی تصمیمی گرفته می‌شود، دقیقاً کدام سلول‌ها و کدام مدارهای عصبی در مغز نقش تعیین‌کننده دارند؟

اپتوژنتیک هنوز پاسخ نهایی این پرسش را نداده است. اما برای نخستین بار، دانشمندان ابزار قدرتمندی در اختیار دارند که به آن‌ها اجازه می‌دهد به جای فقط تماشای فعالیت مغز، بخش‌هایی از آن را با دقتی بی‌سابقه آزمایش کنند.

و شاید همین آغاز یک دوره تازه در تلاش انسان برای فهمیدن پیچیده‌ترین عضو بدن باشد؛ دوره‌ای که در آن، نور به ابزاری برای خواندن و دستکاری زبان سلول‌های عصبی تبدیل شده است.

داستان نوبل پزشکی ۲۰۲۶ از همین‌جا آغاز می‌شود؛ از یک پرسش ساده اما دشوار درباره مغز. دانشمندان سال‌ها می‌توانستند فعالیت نورون‌ها را مشاهده کنند، اما مشاهده یک سلول عصبی با کنترل دقیق آن تفاوت داشت. اگر پژوهشگری می‌توانست فقط گروه خاصی از نورون‌ها را روشن یا خاموش کند، می‌توانست بفهمد آن سلول‌ها واقعاً چه نقشی در حرکت، احساس، حافظه یا رفتار دارند.

کلید این تحول اما نه در مغز انسان، بلکه در موجودی بسیار کوچک‌تر پیدا شد: یک جلبک تک‌سلولی.

پیتر هگمان در دهه ۱۹۹۰ در حال مطالعه این بود که چگونه جلبک تک‌سلولی Chlamydomonas reinhardtii نور را تشخیص می‌دهد و خود را به سمت آن حرکت می‌دهد. پژوهش‌های او و سپس کار مشترک هگمان و گئورگ ناگل نشان داد که برخی پروتئین‌های موجود در این موجودات می‌توانند مستقیماً به نور پاسخ دهند و با باز کردن کانال‌های یونی، وضعیت الکتریکی سلول را تغییر دهند. این پروتئین‌ها بعدها به یکی از پایه‌های فناوری‌ای تبدیل شدند که نامش «اپتوژنتیک» گذاشته شد.

اما کشف یک پروتئین حساس به نور یک چیز بود و تبدیل آن به ابزار مطالعه مغز چیزی کاملاً متفاوت. اینجا دیسراث و گروهش وارد داستان شدند.

او در سال ۲۰۰۴، همراه با دو دانشجوی تحصیلات تکمیلی، کار روی پروژه اپتوژنتیک را آغاز کرد. ایده جسورانه بود: اگر بتوان ژن مربوط به پروتئین‌های حساس به نور را به نورون‌ها منتقل کرد، شاید بتوان نورون‌ها را با تابش نور کنترل کرد. چند سال بعد، این ایده به فناوری‌ای تبدیل شد که به دانشمندان اجازه می‌داد با پالس‌های نور لیزر، فعالیت نورون‌های مشخصی را در مغز موجود زنده تحریک یا مهار کنند.

برای انجام این کار، پژوهشگران از پروتئین‌هایی استفاده کردند که مانند دروازه‌هایی در سطح سلول عمل می‌کنند. وقتی نور با طول موج مناسب به این پروتئین‌ها می‌تابد، کانال باز می‌شود و یون‌های باردار از غشای سلول عبور می‌کنند. این تغییر می‌تواند فعالیت الکتریکی نورون را آغاز یا متوقف کند. سپس نور از طریق فیبرهای نوری بسیار ظریف به بخش مشخصی از مغز منتقل می‌شود.

نتیجه، چیزی بود که تا پیش از آن بسیار دشوار بود: پژوهشگر می‌توانست نوع مشخصی از نورون را در مغز زنده، با سرعت بالا و دقت زیاد، روشن یا خاموش کند و سپس ببیند رفتار حیوان چگونه تغییر می‌کند. به این ترتیب، مغز دیگر فقط چیزی نبود که دانشمند آن را تماشا کند؛ می‌شد بخش‌هایی از مدارهای آن را به‌طور کنترل‌شده «امتحان» کرد.

خود دیسراث برای توضیح این ایده به زبانی ساده، تصویر جالبی دارد. او گفته است که دانشمندان با اپتوژنتیک در واقع دارند مغز را «قلقلک» می‌دهند یا به تعبیر خودش، آن را با یک کلید آزمایش می‌کنند: مولکولی که از یک موجود تک‌سلولی گرفته شده، اجازه می‌دهد سلول‌های مغزی با یک پالس لیزر روشن یا خاموش شوند.

این فناوری خیلی زود از یک ایده آزمایشگاهی فراتر رفت. پژوهشگران در سراسر جهان از اپتوژنتیک برای مطالعه مدارهای عصبی مرتبط با حرکت، حافظه، احساس، تصمیم‌گیری و رفتار استفاده کردند. همچنین این روش به پژوهش درباره اختلالات عصبی و روان‌پزشکی، از پارکینسون و صرع تا اعتیاد و برخی اختلالات روانی، کمک کرده است. کاربردهای درمانی نیز در حال بررسی‌اند، اما بسیاری از این کاربردها هنوز در مرحله تحقیقاتی قرار دارند.

در میان این مسیر علمی، شخصیت دیسراث نیز به اندازه کشفش مورد توجه همکارانش قرار گرفته است. همکاران قدیمی او از ترکیبی کم‌معمول سخن می‌گویند: کنجکاوی شدید، دقت وسواس‌گونه، خلاقیت و پشتکار. هاروحیکو بیتو، دانشمند ژاپنی که در دوره تحصیل MD-PhD به دیسراث آموزش داده بود، او را پژوهشگری توصیف کرده که هیچ سنگی را برنمی‌داشت مگر اینکه زیر آن را هم بررسی کرده باشد؛ کسی که می‌خواست یک پرسش علمی را تا آخرین حد ممکن دنبال کند.

راب مالنکا، استاد دانشگاه استنفورد و استاد دوره پسادکتری دیسراث، نیز از همان سال‌های جوانی متوجه ویژگی متفاوت او شده بود. به گفته مالنکا، دیسراث باهوش بود، بسیار کار می‌کرد و خلاقیت زیادی داشت، اما بعدها مشخص شد که چیزی فراتر از این ویژگی‌ها دارد: توانایی دیدن آینده یک ایده علمی. مالنکا او را فردی معرفی می‌کند که ظاهری بسیار معمولی و بی‌تکلف دارد، اما در درونش «شور و آتش فکری» شدیدی برای کشف و دستاورد علمی وجود دارد.

جالب‌تر اینکه این شخصیت علمی سخت‌کوش، در محیط دانشگاه نیز تلاش کرده سلسله‌مراتب را کمرنگ نگه دارد. دیسراث در مراسمی که همکارانش پس از اعلام نوبل برای او برگزار کردند، به یاد آورد که سال‌ها پیش، هنگام انتخاب محل تحصیل، ابتدا قصد داشت به دانشگاه کالیفرنیا در سان‌فرانسیسکو برود. اما پس از قدم‌زدن در محوطه استنفورد، به گفته خودش «یک حس درونی فوق‌العاده» پیدا کرد و تصمیمش را عوض کرد. او بعدها گفت یکی از چیزهایی که در استنفورد جذبش کرد، آزادی رفت‌وآمد میان افراد و ایده‌ها و تمایل به گفت‌وگو بود؛ روحیه‌ای که تلاش کرده در محیط کاری خودش نیز حفظ کند.

برای همکاران دیسراث، بخش مهم دیگری از میراث او فقط خود فناوری اپتوژنتیک نیست، بلکه شیوه‌ای است که این فناوری را در اختیار جامعه علمی قرار داد. به جای اینکه ابزار را صرفاً برای آزمایشگاه خودش نگه دارد، تلاش کرد امکان استفاده از آن برای دانشمندان دیگر نیز فراهم شود. همین رویکرد باعث شد اپتوژنتیک با سرعت زیادی در آزمایشگاه‌های مختلف جهان گسترش پیدا کند.

صبح روز اعلام نوبل، در آزمایشگاه دیسراث نیز فضای همیشگی تغییر کرده بود. جلسه هفتگی آزمایشگاه همچنان برگزار شد، اما این بار کنار قهوه و صبحانه، بطری‌های شامپاین قرار داشت. اعضای گروه یکی‌یکی رسیدند، یکدیگر را در آغوش گرفتند و درباره خبری صحبت کردند که سال‌ها انتظارش را می‌کشیدند. برخی از همکاران گفته‌اند که این جایزه برایشان کاملاً غافلگیرکننده نبود؛ آن‌ها سال‌ها شاهد کار سخت و پیگیر دیسراث بودند.

وقتی دیسراث وارد سالن شد، با لباس غیررسمی همیشگی‌اش، یعنی شلوار جین و تی‌شرت، با تشویق همکارانش روبه‌رو شد. او در میان این هیجان، جمله‌ای گفت که شاید بیش از هر چیز دیگری نگاهش به نوبل را نشان دهد: «بدون این جامعه هیچ اتفاقی نمی‌افتاد.» سپس از همکارانش تشکر کرد.

و وقتی از او پرسیدند حالا که یکی از مهم‌ترین جوایز علمی جهان را گرفته، چگونه می‌خواهد آن را جشن بگیرد، پاسخ او چندان شبیه پایان یک مسیر نبود. گفت: «برگردم سر کار. هنوز چیزهای زیادی برای کشف کردن داریم و آدم‌های زیادی هستند که باید به آن‌ها کمک کنیم.»

از نظر علمی، این کشف بر شناسایی پروتئین‌های حساس به نور موسوم به اپسین‌ها و استفاده از آن‌ها برای کنترل فعالیت سلول‌ها استوار است. این پروتئین‌ها در غشای سلول قرار می‌گیرند و با تابش نور با طول موج مشخص، مانند یک کانال یونی عمل می‌کنند و عبور یون‌ها را از غشای سلول تغییر می‌دهند. پژوهشگران با انتقال ژن‌های سازنده این پروتئین‌ها به نورون‌های خاص، این سلول‌ها را به نور حساس کردند؛ در نتیجه می‌توان با تاباندن نور، فعالیت الکتریکی نورون را با سرعت و دقت بالا تحریک یا مهار کرد. این فناوری که اپتوژنتیک نام دارد، امکان بررسی مستقیم رابطه میان فعالیت مدارهای عصبی و رفتار را فراهم کرده و به یکی از مهم‌ترین ابزارهای علوم اعصاب مدرن تبدیل شده است.

شاید همین جمله، بهترین پایان برای داستان نوبل پزشکی ۲۰۲۶ باشد. جایزه‌ای که به کشفی درباره کنترل نور بر مغز داده شده، برای دیسراث نقطه پایان نیست. او هنوز همان پرسش‌هایی را دنبال می‌کند که سال‌ها پیش او را به آزمایشگاه کشاندند: مغز چگونه کار می‌کند؟ چگونه مدارهای عصبی احساس، رفتار و تصمیم‌گیری را شکل می‌دهند؟ و آیا فهم دقیق‌تر این مدارها می‌تواند روزی به کمک واقعی به بیمارانی منجر شود که با بیماری‌های مغزی و روان‌پزشکی دست‌وپنجه نرم می‌کنند؟

داستان از جلبکی کوچک آغاز شد؛ از پروتئینی که نور را حس می‌کرد. سپس دانشمندان آن را به سلول‌های عصبی رساندند و نور را به زبانی برای کنترل فعالیت مغز تبدیل کردند. اکنون، نزدیک به دو دهه پس از شکل‌گیری اپتوژنتیک، سه دانشمند برای ساختن این پل میان نور، ژن و نورون جایزه نوبل گرفته‌اند.

اما شاید مهم‌ترین بخش این داستان هنوز نوشته نشده باشد. زیرا وقتی دانشمند می‌تواند یک سلول عصبی را با یک پرتو نور روشن یا خاموش کند، پرسش بعدی دیگر فقط این نیست که مغز چگونه کار می‌کند؛ پرسش این است که با این قدرت تازه، تا کجا می‌توان رازهای مغز را فهمید و از این فهم برای کمک به انسان استفاده کرد؟

سرنخی در یک جلبک تک‌سلولی

در مرکز داستان، موجودی قرار دارد که در نگاه اول ارتباط چندانی با علوم اعصاب ندارد: جلبک تک‌سلولی Chlamydomonas reinhardtii.

پیتر هگمان در دهه ۱۹۹۰ به این پرسش علاقه‌مند شد که این جلبک چگونه می‌تواند نور را تشخیص دهد و به سمت منبع نور حرکت کند. رفتار جلبک نشان می‌داد که باید نوعی سامانه حساس به نور در سطح سلول وجود داشته باشد.

هگمان به این ایده رسید که شاید یک پروتئین بتواند هم نور را دریافت کند و هم مستقیماً در انتقال سیگنال الکتریکی نقش داشته باشد. این فرضیه او را به سمت بررسی پروتئین‌هایی هدایت کرد که بعدها مشخص شد از جنس «کانال‌های یونی حساس به نور» هستند.

در اوایل دهه ۲۰۰۰، هگمان و گئورگ ناگل پروتئینی به نام channelrhodopsin را شناسایی و ویژگی‌های آن را بررسی کردند؛ پروتئینی که در غشای سلول جلبک قرار دارد و با دریافت نور آبی، کانالی را باز می‌کند که به یون‌های باردار اجازه عبور می‌دهد. نتیجه، ایجاد تغییر الکتریکی در سلول است.

کشف اصلی همین‌جا بود، اما هنوز یک سؤال بزرگ باقی مانده بود. آیا می‌توان چنین «کلید نوری» را به سلول‌های عصبی منتقل کرد؟

وقتی نور به زبان نورون‌ها تبدیل شد

اینجاست که مسیر کارل دیسروث وارد داستان می‌شود. دیسروث، روان‌پزشک و پژوهشگر علوم اعصاب در دانشگاه استنفورد، به دنبال ابزارهایی بود که بتوانند ارتباط میان فعالیت سلول‌های مغز و رفتار را با دقت بسیار بیشتری آشکار کنند.

او و همکارانش ژن مربوط به channelrhodopsin را وارد سلول‌های عصبی کردند. نتیجه شگفت‌انگیز بود: نورون‌هایی که این پروتئین را تولید می‌کردند، به نور حساس شدند. تاباندن نور آبی می‌توانست فعالیت الکتریکی آن‌ها را تحریک کند.

این یافته در سال ۲۰۰۵ منتشر شد. دو سال بعد، دیسروث نشان داد که می‌توان این «کلید نوری» را در مغز موش زنده نیز به کار گرفت. به این ترتیب، چیزی که از مطالعه رفتار یک جلبک تک‌سلولی آغاز شده بود، به ابزاری برای مطالعه دقیق مغز پستانداران تبدیل شد.

نام این روش بعدها اپتوژنتیک (Optogenetics) گذاشته شد؛ ترکیبی از «اپتیک» و «ژنتیک».

ممکن است پرسش ساده‌ای مطرح شود: چرا دانشمندان به جای نور، از روش‌های دیگری برای تحریک نورون‌ها استفاده نکردند؟ پاسخ در دقت روش است.

در بسیاری از روش‌های قدیمی‌تر، تحریک تعداد زیادی از سلول‌ها به‌طور هم‌زمان دشوار نبود؛ اما مغز شبکه‌ای است که در آن انواع مختلف نورون‌ها در کنار یکدیگر فعالیت می‌کنند. برای فهمیدن نقش یک نوع سلول مشخص، پژوهشگر باید بتواند همان گروه خاص را هدف قرار دهد.

اپتوژنتیک این امکان را فراهم کرد که با ترکیب ابزارهای ژنتیکی و نور، گروه‌های مشخصی از نورون‌ها انتخاب شوند و سپس فعالیت آن‌ها با نور کنترل شود.

به این ترتیب، دانشمند می‌تواند پرسش‌هایی از جنس «اگر این گروه از نورون‌ها را فعال کنیم چه اتفاقی می‌افتد؟» یا «اگر فعالیت آن‌ها را متوقف کنیم چه تغییری ایجاد می‌شود؟» را بسیار دقیق‌تر بررسی کند.

همین توانایی برای علوم اعصاب یک نقطه عطف بود. کمیته نوبل می‌گوید این روش امکان بررسی مدارهای عصبی مرتبط با حافظه، احساسات و رفتار را فراهم کرده است.