Γράφει ο Σπύρος Μανουσέλης

 

Το Νόμπελ Ιατρικής στο «εγκεφαλικό GPS»

 

^[1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Το φετινό Νόμπελ για την Ιατρική και τη Φυσιολογία επιβράβευσε την ανακάλυψη του εγκεφαλικού συστήματος που μας επιτρέπει να προσανατολιζόμαστε στον χώρο, ένα είδος βιολογικού συστήματος πλοήγησης ή, για όσους αρέσκονται σε τεχνολογικές μεταφορές, του «εγκεφαλικού GPS».

 

Το βραβείο μοιράστηκαν από κοινού τρεις πρωτοπόροι ερευνητές του εγκεφάλου, ο Τζον Ο’Κιφ (John O’Keefe), διάσημος Αμερικανοβρετανός νευροψυχολόγος, και το ζεύγος Μόζερ, η Μέι-Μπριτ Μόζερ (May-Britt Moser) και ο Εντβαρντ Μόζερ (Edvard Moser), αμφότεροι Νορβηγοί νευροεπιστήμονες. Χάρη στις πρωτοποριακές έρευνές τους οι τρεις επιφανείς επιστήμονες ανακάλυψαν όχι μόνο πώς καταφέρνει ο εγκέφαλός μας να εντοπίζει τη θέση μας στον χώρο, αλλά και πώς «πλοηγεί» το σώμα μας μέσα σ’ αυτόν.

 

Στον Τζον Ο’Κιφ οφείλεται η ανακάλυψη του νευρωνικού κυκλώματος της χωρικής μνήμης που βρίσκεται στον ιππόκαμπο. Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, όταν εργαζόταν στο Πανεπιστήμιο University College του Λονδίνου, ο Ο’Κιφ πραγματοποίησε σειρά από εντυπωσιακά πειράματα με αρουραίους.

 

Τα πειράματα αυτά υποδείκνυαν σαφώς ότι στον ιππόκαμπο των θηλαστικών –άρα και του ανθρώπου!– υπάρχει ένας αριθμός ειδικών νευρικών κυττάρων που ονομάζονται «κύτταρα θέσης» στον χώρο (space cell) και τα οποία ενεργοποιούνται πάντοτε όποτε ο οργανισμός χρειάζεται τη «χωρική μνήμη». Ο Τζον Ο’Κιφ είχε από τότε υποστηρίξει ότι τα «κύτταρα θέσης» στον ιππόκαμπο δεν καταγράφουν απλώς οπτικές πληροφορίες, αλλά δημιουργούν πραγματικούς εγκεφαλικούς χάρτες του χώρου. Και, όπως αποδείχτηκε αργότερα, και τα ανώτερα θηλαστικά (π.χ. χιμπατζήδες, άνθρωποι κ.ά.) δημιουργούν τέτοιους χάρτες!

 

Η περιγραφή όμως του εγκεφαλικού μηχανισμού της χαρτογράφησης και του προσανατολισμού στον χώρο παρέμενε ατελής όσο έλειπε η αποφασιστικής σημασίας συμβολή του ενδορινικού φλοιού του εγκεφάλου. Εκεί βρίσκεται ένα άλλο νευρωνικό κύκλωμα, τα «κύτταρα πλέγματος», τα οποία σε στενή συνεργασία με τα «κύτταρα θέσης» δημιουργούν έναν πλήρη εγκεφαλικό μηχανισμό που επιτρέπει στον οργανισμό να βρίσκει τη θέση του, τον προσανατολισμό του και τη σωστή κίνηση στον χώρο.

 

Αυτό έδειξαν, μετά από αρκετά χρόνια, οι συστηματικές έρευνες της Μέι-Μπριτ Μόζερ και του συζύγου της Εντβαρντ Μόζερ στο νορβηγικό Πανεπιστήμιο του Τροντχάιμ. Ας σημειωθεί ότι οι δύο Νορβηγοί νευροεπιστήμονες γνωρίστηκαν και ερωτεύτηκαν την εποχή που ως νεαροί ερευνητές εργάζονταν στο εργαστήριο του Τζον Ο’Κιφ στις ΗΠΑ.

 

Πιο πρόσφατες έρευνες μάλιστα, που βασίζονται στις σύγχρονες τεχνικές απεικόνισης του εγκεφάλου, και κλινικές μελέτες σε άτομα που υποφέρουν από νευροεκφυλιστικές παθήσεις (π.χ. σύνδρομο Αλτσχάιμερ) επιβεβαίωσαν την ύπαρξη αυτού του μηχανισμού και στον άνθρωπο.

 

Πώς όμως δικαιολογείται η συγκεκριμένη επιλογή;

 

Είναι η ενδέκατη φορά που το βραβείο Νόμπελ Ιατρικής και Φυσιολογίας απονέμεται σε ερευνητές από το πεδίο των Νευροεπιστημών. Και η Μέι-Μπριτ Μόζερ είναι η δεύτερη γυναίκα νευροεπιστήμων που βραβεύεται με Νόμπελ (η πρώτη ήταν η Ρίτα Λεβί Μονταλτσίνι, το 1986).

 

Το πρώτο βραβείο Νόμπελ για νευροβιολογικές έρευνες δόθηκε το 1906 στους Καμίλο Γκόλτζι και Σαντιάγκο Ραμόν ι Καχάλ για τις θεμελιώδεις ανακαλύψεις τους σχετικά με την κυτταρική δομή και επικοινωνία του νευρικού συστήματος, ενώ το προτελευταίο βραβείο στη Νευροεπιστήμη δόθηκε το 2000 (στους Α. Κάρλσον, Π. Γκρίνγκαρντ και Ε. Ρ. Κάντελ). Οσο για τη φετινή απόφαση να δοθεί άλλο ένα βραβείο Νόμπελ στην έρευνα του εγκεφάλου, αυτή αποτελεί την υπέρτατη επιστημονική αναγνώριση του έργου τριών διαπρεπών ερευνητών, οι οποίοι τις τελευταίες δεκαετίες μελέτησαν και χαρτογράφησαν λεπτομερώς τον εγκεφαλικό μηχανισμό που μας επιτρέπει κάθε στιγμή να εντοπίζουμε τη θέση μας και να κινούμαστε με σχετική αυτονομία στον χώρο.

 

Επιπλέον με την ανακάλυψη αυτού του βιολογικού συστήματος προσανατολισμού επιβεβαιώνεται η εξάρτηση κάποιων ανώτερων νοητικών λειτουργιών από συγκεκριμένες εγκεφαλικές δομές, δηλαδή η σαφής εξάρτηση του νου από τον εγκέφαλο.

 

Εξάλλου αυτό το γεγονός επικαλέστηκε η επιτροπή για το Νόμπελ Ιατρικής, όταν δικαιολόγησε τη συγκεκριμένη επιλογή της: «Είναι η πρώτη σαφής απόδειξη των κυτταρικών βάσεων μιας ανώτερης γνωστικής λειτουργίας». Με τις ανακαλύψεις τους οι τρεις ερευνητές «… έλυσαν ένα πρόβλημα που απασχολούσε φιλόσοφους και επιστήμονες επί αιώνες: πώς ο εγκέφαλός μας δημιουργεί έναν χάρτη του χώρου που μας περιβάλλει και πώς βρίσκουμε τον δρόμο μας σε ένα περίπλοκο περιβάλλον».

 

Πρόκειται για ένα θεμελιώδες εγκεφαλικό σύστημα από το οποίο εξαρτάται κυριολεκτικά η επιβίωση του οργανισμού: αν κάθε πρωί μπορούμε να σηκωνόμαστε από το κρεβάτι, να κινούμαστε άνετα μέσα στο σπίτι, να πηγαίνουμε σε όποιο σημείο της πόλης επιθυμούμε (ακόμη και αλλάζοντας δρόμο), οφείλεται στο «βιολογικό GPS» στο κεφάλι μας. Με αυτήν ακριβώς την έννοια το εγκεφαλικό σύστημα προσανατολισμού θα μπορούσε να παρομοιαστεί με μια μηχανή GPS, μόνο που είναι ασύγκριτα τελειότερο και πολύ πιο ευέλικτο από τα μηχανικά συστήματα πλοήγησης.

 

Οσο για τις συνέπειες αυτής της ανακάλυψης, δεν είναι μόνο γνωστικές αλλά και πρακτικές: στο άμεσο μέλλον είναι βέβαιο ότι θα συμβάλει στην κατανόηση και τη θεραπεία των κινητικών νευροεκφυλιστικών ασθενειών ενώ, στο απώτερο μέλλον, ενδέχεται να οδηγήσει στη δημιουργία μιας νέας γενιάς ρομπότ που θα διαθέτουν μεγαλύτερη αυτονομία και επίγνωση των κινήσεών τους στον χώρο.

 

Ενα Νόμπελ Φυσικής για λόγους οικονομικούς και οικολογικούς!

 

^[2]Οπως ανακοίνωσε η Βασιλική Ακαδημία Επιστημών της Σουηδίας, το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για το 2014 θα το μοιραστούν τρεις Ιάπωνες ερευνητές: ο Ισάμου Ακασάκι (Isamu Akasaki) και ο Χιρόσι Αμάνο (Hiroshi Amano), που εργάζονται στο ιαπωνικό Πανεπιστήμιο της Ναγκόγια, και ο Σούτζι Νακαμούρα (Shuji Nakamura), που εδώ και χρόνια εργάζεται στο αμερικανικό Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα.

 

Οι τρεις Ιάπωνες φυσικοί θα τιμηθούν φέτος για την ανακάλυψη και την τελειοποίηση των λαμπτήρων γαλάζιου LED. Αυτοί οι νέοι λαμπτήρες είναι ιδιαιτέρως οικονομικοί από άποψη κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Συνεπώς, θεωρείται βέβαιο ότι πολύ σύντομα θα αντικαταστήσουν τους γνωστούς λαμπτήρες. Εξάλλου ήδη τους βλέπουμε παντού γύρω μας: συνήθως στις νέες ηλεκτρικές συσκευές και σπανιότερα στα σπίτια μας.

 

Αυτοί οι νέοι λαμπτήρες LED (από το Light Εmitting Diode), δηλαδή οι κρυσταλλοδίοδοι εκπομπής γαλάζιου φωτός, επινοήθηκαν από τους τρεις Ιάπωνες ερευνητές στις αρχές του 1990. Εκτοτε τους βελτίωσαν σημαντικά ώστε το πιο φωτεινό γαλάζιο χρώμα που παράγουν να συνδυάζεται και να συμπληρώνει σημαντικά την παλέτα χρωμάτων που παρήγαγαν οι προηγούμενοι λαμπτήρες LED, οι οποίοι επί τριάντα χρόνια περιορίζονταν στην εκπομπή μόνο κόκκινου και πράσινου φωτός.

 

Η επιτυχής προσθήκη ενός τρίτου, πολύ πιο φωτεινού χρώματος επέτρεψε στους ερευνητές αυτούς να σχεδιάσουν και να κατασκευάσουν έναν νέου τύπου λαμπτήρα που είναι σε θέση να παράγει ένα λευκό, λαμπρό και ευχάριστο φωτισμό με πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας!

 

Κάθε Κρυσταλλοδίοδος Εκπομπής Φωτός, δηλαδή κάθε λαμπτήρας LED, είναι μια διάταξη κατά στρώματα διαφορετικών ημιαγώγιμων υλικών, χάρη στα οποία μεγάλο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε φωτόνια. Αυτό έχει ως συνέπεια μια αξιοσημείωτη βελτίωση ως προς τη φωτεινότητα αλλά και ως προς την εξοικονόμηση ενέργειας σε σύγκριση με τις τεχνητές πηγές φωτός, στις οποίες το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε θερμότητα -δηλαδή «χάνεται» επειδή εκπέμπεται στο περιβάλλον- και μόνο ένα μικρό κλάσμα της ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε φως.

 

Για να κατανοήσουμε την πραγματική σημασία και τη σπουδαιότητα αυτής της ανακάλυψης θα πρέπει να ανατρέξουμε στην ιστορία του φωτισμού των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Μέχρι τα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα, εκτός από τον ήλιο, οι συνήθεις πηγές φωτισμού ήταν η καύση λαδιού, κεριών ή ξύλων. Τα πράγματα άλλαξαν ριζικά το 1878, όταν ο Τόμας Εντισον (Thomas Edison) κατάφερε να κατασκευάσει τον πρώτο λαμπτήρα πυρακτώσεως: ένα μεταλλικό σύρμα μέσα σε γυάλινο κάλυμμα. Οταν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα το σύρμα πυρακτώνεται (φαινόμενο Τζάουλ) και εκπέμπει το γνωστό κιτρινιάρικο φως. Περιττό να εξηγήσουμε τη σημασία αυτής της ανακάλυψης, είναι πανταχού παρούσα μπρος στα μάτια μας μόλις βραδιάζει, αρκεί να ανοίξουμε… τον διακόπτη.

 

Οι «Κρυσταλλοδίοδοι Εκπομπής Φωτός» ή λαμπτήρες LΕD δημιουργήθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1970 και η αρχή λειτουργίας τους διαφέρει αρκετά από αυτήν των λαμπτήρων πυρακτώσεως και φθορισμού. Οι κλασικοί λαμπτήρες πυρακτώσεως δεν είναι καθόλου αποδοτικοί επειδή η λειτουργία τους απαιτεί την κατανάλωση πολλής ενέργειας. Επίσης έχουν μικρή διάρκεια ζωής. Και τα πράγματα δεν βελτιώθηκαν σημαντικά με τους πιο σύγχρονους και πιο «οικονομικούς» λαμπτήρες φθορισμού.

 

Το Νόμπελ Φυσικής για εξοικονόμηση ενέργειας

 

Αντίθετα, οι λαμπτήρες LED είναι πραγματικά οικονομικοί και διαρκούν πολύ περισσότερο, 10 με 15 χιλιάδες ώρες λειτουργίας, δηλαδή περίπου 15 χρόνια! Επιπλέον μολύνουν λιγότερο το περιβάλλον επειδή δεν περιέχουν υδράργυρο, κυρίως όμως λόγω της πολύ μικρής κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας.

 

Ισως γι’ αυτό, κατά την ανακοίνωση των φετινών Νόμπελ Φυσικής, η επιτροπή ένιωσε την ανάγκη να προχωρήσει σε μια μάλλον ασυνήθιστη πρόβλεψη: «Οι λάμπες πυρακτώσεως φώτισαν τον εικοστό αιώνα. Ο εικοστός πρώτος αιώνας θα φωτιστεί από λαμπτήρες LED. Μετά την επινόηση των λαμπτήρων LED διαθέτουμε πλέον εναλλακτικές επιλογές που έχουν και μεγαλύτερη διάρκεια και μεγαλύτερη αποδοτικότητα απ’ ό,τι είχαν οι παλιότερες πηγές φωτός». Συνεπώς, οι τρεις Ιάπωνες ερευνητές τιμήθηκαν φέτος με το βραβείο Νόμπελ «επειδή επινόησαν μια νέα πηγή φωτός αποδοτική από ενεργειακή άποψη και μη βλαπτική για το περιβάλλον», όπως αναφέρει η επίσημη ανακοίνωση της Σουηδικής Βασιλικής Ακαδημίας Επιστημών.

 

Νόμπελ Χημείας για τους… νανοσκόπους

 

^[3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Δύο Αμερικανοί, ο Ερικ Μπέτζιγκ (Eric Betzig) και ο Γουίλιαμ Μέρνερ (William Moerner), και ένας Γερμανός, ο Στέφαν Χελ (Stefan Hell), θα μοιραστούν εξίσου το Νόμπελ Χημείας για το 2014.

 

Με αυτή την απόφασή της η επιτροπή απονομής του πολύτιμου βραβείου στη Στοκχόλμη επέλεξε να τιμήσει -με τη συνήθη καθυστέρηση- τους επιστήμονες που επινόησαν και τελειοποίησαν τη «νανοσκοπία», μια τεχνική που χρησιμοποιείται πλέον ευρέως σε όλα τα σύγχρονα εργαστήρια.

 

Ολοι αναγνωρίζουμε βέβαια την τεράστια σημασία που είχε για την επιστήμη η επινόηση του οπτικού και κατόπιν του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Κυριολεκτικά έδωσε στους ανθρώπους τη δυνατότητα να εξερευνήσουν το αόρατο, επί χιλιετίες, σύμπαν του μικρόκοσμου. Ετσι ανακαλύψαμε την ύπαρξη και την ενίοτε βλαπτική συμπεριφορά των μικροοργανισμών. Επίσης χάρη στα μικροσκόπια έγινε ορατή η εσωτερική αρχιτεκτονική και η λειτουργία των μονάδων της ζωής, αποκαλύφθηκε δηλαδή η απίστευτα περίπλοκη μικροδομή των κυττάρων που, ως γνωστόν, συγκροτούν όλους τους πολυκύτταρους οργανισμούς.

 

Ωστόσο, παρά την ευρύτατη εφαρμογή της, η μικροσκοπία, προκειμένου να αναπτυχθεί περαιτέρω, έπρεπε να υπερβεί ένα μεγάλο εμπόδιο, έναν δήθεν ανυπέρβλητο φυσικό περιορισμό. Αυτό το φυσικό «όριο» το περιέγραψε το 1873 διατυπώνοντάς το ως απαγορευτική αρχή ο μεγάλος οπτικός φυσικός Ερνστ Αμπε (E. Abbe). Ο Αμπε είχε προβλέψει ότι τα οπτικά μικροσκόπια, όσο τέλεια κι αν γίνονταν, δεν θα κατάφερναν ποτέ να υπερβούν το φυσικό όριο των 0,2 μικρομέτρων (χιλιοστά του χιλιοστού): η ανάλυσή τους δηλαδή δεν θα μπορούσε ποτέ να είναι μεγαλύτερη από ό,τι το μισό του μήκους κύματος του φωτός.

 

Η επιστήμη όμως δεν υπάρχει μόνο για να θέτει ή για να αναγνωρίζει φυσικά όρια, αλλά και για να τα υπερβαίνει! Αυτό ακριβώς έκαναν οι τρεις ερευνητές και γι’ αυτό κέρδισαν το φετινό Νόμπελ Χημείας. Πολύ συνοπτικά, κατάφεραν να υπερβούν αυτό το δήθεν «ανυπέρβλητο» όριο μετατρέποντας τη μικροσκοπία σε… νανοσκοπία.

 

Το δήθεν φυσικό όριο στη μικροσκοπική ανάλυση που είχε προβλέψει ο Ε. Αμπε αποδείχτηκε ένας μύθος. Η δημιουργικότητα και η επινοητικότητα της επιστημονικής σκέψης κατάφεραν τελικά να παρακάμψουν κι αυτό το εμπόδιο μέσω δύο διαφορετικών αλλά εξίσου καινοτόμων προσεγγίσεων.

 

Πώς κατέστησαν ορατό το… αόρατο

 

Την πρώτη προσέγγιση ανέπτυξε ο Στέφαν Χελ το 2000 με την επινόηση των μικροσκοπίων STED (stimulated emission depletion). Τα νέα μικροσκόπια Αποδιέγερσης με Εξαναγκασμένη Εκπομπή ή STED είναι μια εξέλιξη της φθορισμομετρικής μικροσκοπίας που χρησιμοποιεί δύο δέσμες λέιζερ.

 

Η πρώτη δέσμη λέιζερ μπορεί να διεγείρει τα φθορίζοντα μόρια και να τα αναγκάζει να εκπέμπουν φως, η δεύτερη, αντίθετα, ακυρώνει τον φθορισμό των μεγαλύτερων αντικειμένων, εκτός βέβαια από αυτά που έχουν όγκο μερικών νανομέτρων. Ετσι, χάρη σε αυτήν τη μέθοδο έγινε εφικτή η παράκαμψη της απαγόρευσης του Ε. Αμπε.

 

Μια διαφορετική προσέγγιση ανέπτυξαν στις ΗΠΑ οι Ερικ Μπέτσιγκ και Ουίλιαμ Μέρνερ. Πρόκειται για τη μικροσκοπία «μεμονωμένων μορίων». Μια τεχνική που βασίζεται στη δυνατότητα επιλεκτικής ενεργοποίησης και απενεργοποίησης των μορίων που έγιναν ορατά χάρη στον χρωματισμό τους με τις κατάλληλες φθορίζουσες ουσίες, μια εξέλιξη δηλαδή της φθορισμομετρικής μικροσκοπίας.

 

Χάρη σε αυτές τις τεχνικές μπορούμε πλέον να παρακολουθούμε τα κύτταρα σε μοριακό επίπεδο: τα μεμονωμένα μόρια στο εσωτερικό των κυττάρων ή την ελλιπή συγκρότηση και τον ρόλο διάφορων πρωτεϊνών στην εμφάνιση διάφορων νευροεκφυλιστικών παθήσεων.

 

Κοντολογίς, οι τρεις ερευνητές οδήγησαν τη μικροσκοπία σε μια νέα βαθύτερη διάσταση: στην οπτικοποίηση των αόρατων μέχρι τότε μικροσκοπικών δομών και στην κατασκευή μικροσκοπίων υψηλότατης ανάλυσης που προσεγγίζει πια τη νανομετρική κλίμακα.