を癒すのに役立つ可能性があります19世紀初頭には、電気の性質は科学者にとって謎のままでした。 この時代の実験では、火花が死んだカエルの筋肉を痙攣させたり、人間の死体を痙攣させたりする可能性があることが示されました。 200年以上後、電気が人体に作用するすべての方法はまだ完全に理解されていません。 しかし、電気信号が身体の初期発達に大きな役割を果たすことは明らかです。
タフツ大学のMichael Levinのような科学者たちは、細胞電荷が成長中の胚の構造がどのように、どこで形成されるかを制御することを発見しました。 さらに驚くべきことに、彼は細胞の電圧パターンを変えるだけで身体の形を操作することが可能であることを発見しました。
この基本的な技術を用いて、レヴィンと彼の同僚はオタマジャクシの背中に機能する第三の目を成長させることに成功しました。 彼らは、主要な神経構造の形成を阻止することによってカエルの胚の脳損傷を引き起こし、発達中の脳細胞の電荷を変化させることによって損傷を逆転させました。 この研究はまだ深く実験的ですが、Levinは医学、生物学、生化学の分野に大きな影響を与える可能性があると考えています。 彼はある日、子宮内の先天性欠損を逆転させ、癌を治療したり、切断者に新しい手足を成長させるために生物電気を使用することを想像しています。
タフツのAllen Discovery Centerのディレクターであり、2017Annual Review of Biomedical Engineeringの記事の共著者であるLevin氏は、最近、Knowable誌に、生物電気研究の現状とその将来の見通しに関する彼の考 この会話は、長さと明快さのために編集されています。
生物学の文脈では、”電気信号”は本当に何を意味していますか？
まあ、すべての細胞を取り囲む膜には、イオンに荷電した原子を細胞の内外に移動させることができる埋め込まれたタンパク質があります。 カリウム、塩化物、ナトリウム、陽子などのようなもの。 そして必然的に、膜の片側に帯電したイオンを追加すると、その細胞表面全体に電位が発生します。 それは基本的にバッテリーの片側が他の側とは異なる充電量を持っているバッテリーで何が起こるかです。
細胞は実際にそれらの電荷を使って通信できることが判明しました。 これらの信号は、私たちが神経系で聞くのに慣れている衝動よりもはるかに遅く作用します-そこでは、情報の流れのためのミリ秒の時間スケールについて話していますが、発達生物電気では、数分または数時間について話しています。 しかし、最終的には、細胞間の電位は、特定の組織または構造がどのように発達するかを決定することができる。
これらの電気信号は体内の発達にどのように正確に影響しますか？
Bioelectric信号は一種の高レベルマスターの調整装置スイッチとして役立ちます。 組織と強度を横断する空間分布は胚の領域を示します目になるか特定のサイズの脳になるか手足になるか体の左側に行くかというようなものです
このオタマジャクシの尾の球は、実際には発達しているカエルの目です。 移植された組織を特定の神経伝達物質薬にさらすことによって、科学者は神経組織を同軸にしてそこから成長させることができました。 これは、発達中のオタマジャクシの脊髄に正常に接続され、視覚情報を脳に送り、そうでなければ盲目のオタマジャクシに見えるようにしました。
クレジット：タフツ大学アレン-ディスカバリー-センター
実際にカエルの胚で形成されているのを見ることができます。 例えば、電気的に敏感な染料は、我々が”電気的な顔”と呼ぶパターンを明らかにする—顔のすべての部分が後で形成しようとしている場所をレイアウトする それは解剖学の主要な特徴のための微妙な足場のようなものですが、局所的な詳細の多くは、生物電気を伴うかもしれないしそうでないかもしれない他のプロセスによって満たされているように見えます。 発達中の胚でこれらの電気信号を変更すると、その構造がどのように、どこで形成されるかに大きな影響を与える可能性があります。
それが特定の臓器でどのように機能するかの例を挙げることができますか？
私たちが数年前に研究したかったことの一つは、移植された細胞や組織が外国の環境でどのように発達するかです。 私たちは、あるカエルの胚から初期の目の構造を取って、別の胚の背中に移植しました。 私たちは二つのことに興味がありました：最初に、受信者はその背中に移植された目から見ることができるでしょうか？ 脳は実際にそれを見ることができるのに十分なプラスチックですか？ 第二に、私たちは知りたいと思っていました、この目の構造は近くの脳なしで何をするつもりですか？ それはどこに接続するつもりです、そしてニューロンは何をするつもりですか？
私たちが発見したのは、その構造を発達中のオタマジャクシの背中に移植すると、眼細胞が機能的な網膜と視神経を作り、周りを蛇行して脊髄のどこかに接続しようとするということです。 しかし、インプラントを取り囲む細胞の電位を下げると、目の構造が狂ってしまい、そこから膨大な数の新しい神経が出てきます。
出現したニューロンは、座っている組織の電気信号を読み取ることができることが判明しました。 その組織内の細胞が分極した休息電位を有する場合—各細胞内に負の電荷を蓄積したことを意味する—移植された眼は視神経を形成し、それが終わり しかし、彼らは脱分極している、または低電荷を持っている場合、それはニューロンに非常に深遠な方法で過成長する信号を与えます。 これは細胞が環境の電気的地形を読み、その情報に基づいて成長の決定を下す例だと思います。
半分にスライスすると、平虫は通常、その体の欠けている部分を再成長することができます。 しかし、その細胞の電荷を操作することによって、科学者はこれらの部分のどれが再生するかを制御することができます。 フラットワームの細胞からの荷電イオンの正常な流入および流出を阻止することによって、それらは再生組織の両側に過分極状態を作り、ワームに2つの尾を成長させるよう促します。 または、脱分極状態を作り、切断された尾を置き換えるための第二の頭部の形成をもたらすことができる。
眼の周りの生体電気信号を変えるとオタマジャクシの神経系に成長しますか？
はい。 それは完全な目の構造に成長しているだけでなく、それはまた機能的です。 あなたはオタマジャクシの既存の目を削除する場合は、インプラントは、そうでなければ盲目の動物は色や移動する形を見ることができます。 私たちの研究では、lcdモニターの上の浅い皿に盲目的なオタマジャクシを置き、小さな黒い三角形でそれらを追いかけました。 オタマジャクシは三角形の動きに応答して一貫して泳いだ。 彼らが正常なオタマジャクシと同じ視力を持っているかどうかはわかりませんが、彼らは間違いなくその新しい移植された目から見ることがで
18世紀半ばに活躍したルイージ・ガルヴァーニは、電気信号が体内の筋肉をどのように活性化させたかについての独創的な実験を行い、死んだカエルの足を電極で叩いた後に痙攣させ（図）、生物電気を発見した最初の科学者の一人であった。
クレジット：ルイージ-ガルヴァニ/ウィキメディア-コモンズ
どのようにして細胞や組織の電気的状態を操作するのですか？
細胞内のイオンチャネルを標的とする薬でそれを行うことができます。 今、そこにあるすべての薬の20パーセントのようなものは、イオンチャネル薬であり、人々がてんかんや他の病気のために取るものなので、彼らは見つける 私たちの研究室では、身体の特定の領域をターゲットにした薬物カクテルを具体的に作っています。 たとえば、皮膚の電圧をターゲットにしたい場合は、皮膚細胞のみで発現するイオンチャネルを開いたり閉じたりする薬を使用することができます。 あなたは体のさまざまな部分で異なる反応を引き起こすために薬のカクテルを調整します。
あなたは計算機科学者としてこの分野で始めました。 あなたは、コンピュータのためのコーディングと生物学的な設定で電気信号を微調整の間の類似点を見ていますか？
基本的なレベルでは、私はシステム内の情報処理とアルゴリズムを気にしています。 そのシステムがケイ素か生きている細胞から成っているかどうかは問題ではない。 私の心には、私は計算機科学者ですが、私は生きているメディアで計算と情報処理を研究しています。
コンピュータサイエンスの背景を持っている人は、情報科学の基本はコンピュータそのものではなく、計算を行う方法であることを理解しています。 多くの異なるアーキテクチャと非常に異なる種類のプロセスを使用して計算を実行することができます。 人々は奇妙な液体、粘菌、さらにはアリからコンピュータを作ってきました。 だから私はコンピュータサイエンスが生物学の分野を教えることができる最も重要なことの一つは、ソフトウェアとハードウェアの区別です。
電気顔と呼ばれるものを発見したMichael Levinの同僚Dany Adamsは、生物電気信号がカエルの胚（アフリカツメガエルlaevis）を開発する際に顔の特徴の構築を指示する方法を明らかにするこのタイムラプスビデオを作成しました。 電位をマークする蛍光色素を使用して、明るい細胞は、それらの調光器の隣人よりも過分極（より負に帯電）されています。
生物学と化学では、身体の「ハードウェア」—その中の細胞と分子—がすべてです。 しかし、我々は、ハードウェアのこれらの特別な種類は、実際にはソフトウェアの多くの異なる種類を実行できるという事実の周りに私たちの頭をラップ
生物学的な意味での”ソフトウェア”とはどういう意味ですか？
この場合の”ソフトウェア”は、細胞がどのように協力して特定の構造や組織を作るかを決定するものです。 それは変更することができます。 あなたは一つの頭でフラットワームを取ることができ、それらの細胞内の電気信号を簡単に変更することによって、彼らは二つの頭を持つ新しいパター あなたが同じワームの細胞を持っているという事実にもかかわらず、あなたは別の結果を得る。 このようなソフトウェアとハードウェアの区別は、将来的に再生医療や合成生物学の大きな問題に取り組む上で非常に重要になります。
これは医療の世界でどのようなアプリケーションを持つことができますか？
私はそれについて多くのことを考えます。 最も明白なものは、先天性欠損症を修正するようなものです。 私たちが生物電気シグナル伝達を理解し、操作することができれば、胚が形成されるにつれてうまくいかないものを修復する可能性があります。 それは一つです。 私たちは実際に実験室の動物胚にいくつかの先天性欠損を誘発し、特定の細胞の電位を変えることによってそれらを修復しました。
もう一つは癌と戦っています。 癌細胞の原因と潜在的な抑制因子の両方として生体電気信号についてかなりの量の研究が行われています。 特定の腫瘍を電位を変化させる特定の薬物にさらすことによって、特定の腫瘍を正常化することができます。 使用する化合物に応じて、周囲の組織をそのまま残しながら、腫瘍のような特定のタイプの細胞のみに選択的に影響を与えることができます。 それはマウスモデルでテストするためにかなり準備ができています。
第三の領域は再生医療です。 電気信号を使用して組織や臓器を傷害後に成長させることができれば、患者のために構造や臓器全体を置き換えることができます。 Bioelectricityは細胞の行動を調整するために大きく新しい一組の制御ノブを与える。 電気信号のようなこれらの大規模な規制当局を理解すれば、生物学的構造を構築する方がはるかに簡単になります。
: この記事は8/10/18に更新され、タフツのアレン-ディスカバリー-センターのディレクターとしてのレヴィンの役割に注意し、セル内のイオンの説明の誤植を修正した。 液晶画面上の黒い三角形に応答してオタマジャクシが泳いだ方法の説明も明らかにした。