Science fiction

I was just taking a rest on the Maldive Islands, drinking wine with peals and treating myself with caviar. My diamond necklace was shining in the sun and two muscular youngsters were giving me a foot massage.

Harold came in and announced the arrival of my guest. I nodded in confirmation. I was expecting this visit. There he was, an agent of Monsanto, in an attempt to bribe the scientists. That is, me.

I am just a neurobiologist, but as an amateur writer I am enormously influential. For example, I publish essays in the internet and in the university newspapers. It is wise, thus, to ensure my loyalty.

I didn’t intend to sell myself cheap. I needed another Mercedes in my limousine collection, and my cat was addicted to shrimps. Anyway, when taking bribes, one must preserve some class. A box full of cigars is good for a MSc student. I am close to my PhD, so I must price myself appropriately.

Of course there are limits. I’d have to be a full professor to demand a private Boeing.

The agent came in, dressed in a black suit, black leather shoes and black sunglasses. He also had a sinister moustache. We have discussed for almost an hour and finally came to an agreement. A suitcase full of money had a new owner. I like cash. It isn’t very classy, but at least it gives some freedom.

I told Harold to bring champagne.

Next, I was visited by a leader of an environmental organization, who gave me diamonds to ensure that I support the hypothesis of global warming. Then, another ecologist, who wanted me to talk about dying coral reefs. Two guys from Big Pharma - one wanted me to recommend his vaccines and another, his new chemotherapeutics. It made me shiver for a while. After all I still have some conscience and it bothers me to recommend chemicals, while everybody knows that a chickpea seed stuffed under your skin cures cancer.

But who cares anyway. As a scientist I am already very depraved. I’ve just asked the pharma guy one question, to tease him a little.

- Mr… how was your name? Mr. Evil? How come you have this much money to bribe us all? Only the San Diego conference hosted thirty thousand people, and these are just neurobiologists. There are many more groups in cancer research and microbiology. Even my field, which is quite niche, is occupied by several competing teams. I know you earn a buckload on drugs, but you have also to spend them on the distribution, clinical trials, licenses, even on the boxes…

- Madame - he replied. - We don’t have to worry about mere economy. As we all know, killing people is a lucrative business. For every cadaver Satan himself gratifies us with diamonds, cocaine and rare radioactive elements.

I thought about it for a while. Then I told Harold to bring more caviar.

Fantastyka naukowa

Siedziałam sobie spokojnie na leżaku na Malediwach i popijałam wino z perłami, od czasu do czasu przegryzając łyżką kawioru. Moja diamentowa kolia skrzyła się w południowym słońcu, a dwóch smukłych i muskularnych młodzieńców robiło mi masaż stóp.

Wszedł Harold i zaanonsował gościa. Skinęłam głową. Spodziewałam się tej wizyty. Oto nadchodził przedstawiciel Monsanto, żeby przekupić ogół naukowców, a zatem również i mnie. Ja co prawda jestem tylko neurobiologiem, ale jako pisarka mam ogromne wpływy w społeczeństwie, na przykład od czasu do czasu publikuję felietony na portalach internetowych i w czasopismach uniwersyteckich, a zatem warto zapewnić sobie moją lojalność.

Nie zamierzałam dać się tanio kupić. Do kolekcji limuzyn brakowało mi jeszcze Mercedesa, a moja kotka ostatnio uzależniła się od krewetek. I w ogóle, jeżeli już brać łapówki, to z klasą. Pudełko cygar jest dobre dla magistranta. Człowiekowi tuż przed doktoratem jakakolwiek taniocha przynosi ujmę.

Oczywiście są granice. Na przykład na prywatnego Boeinga może liczyć już tylko profesor.

Przedstawiciel wszedł, odziany w czarny garnitur, czarne lakierki i czarne okulary. Miał również złowieszczy wąsik. Dyskutowaliśmy prawie godzinę, zanim wreszcie dobiliśmy targu. Walizka pełna waluty zmieniła w końcu właściciela. Lubię gotówkę. Jest mało subtelna, lecz daje pewną elastyczność.

Kazałam Haroldowi przynieść szampana.

Tego dnia odwiedził mnie jeszcze przedstawiciel lobby ekologów, od którego przyjęłam brylanty, żeby mówić o globalnym ociepleniu, drugi ekolog, któremu bardzo zależało, żebym opowiedziała o ginących rafach koralowych, szef firmy farmaceutycznej, który chciał, żebym zachwalała jego szczepionki oraz drugi, który bardzo potrzebował reklamy nowego chemoterapeutyku. Tutaj powieka lekko mi zadrżała. Mam jeszcze resztki wyrzutów sumienia, które sprawiają, że wzbraniam się przed dręczeniem ludzi chemią, podczas gdy najlepiej zwalcza raka cieciorka wsadzona pod skórę nogi.

Ale co tam, raz się żyje. Jako naukowiec jestem w końcu bardzo zdeprawowana.
Zadałam tylko jedno pytanie, aby trochę wytrącić go z równowagi.

- Proszę pana - agencie Evil, tak się pan nazywał? Skąd właściwie macie tyle pieniędzy, żeby nas wszystkich kupić? Na konferencji w San Diego było trzydzieści tysięcy ludzi, a to tylko sami neurobiolodzy. Zespołów parających się onkologią jest jeszcze więcej, o mikrobiologach nawet nie wspominając. Nawet nad mechanizmem, którym się interesuję, pracuje kilkanaście niezależnych, konkurujących ze sobą grup. Wiem, że zarabiacie na lekach, ale trzeba jeszcze zadbać o dystrybucję, badania kliniczne, koncesje i choćby głupie opakowania…

- Ach, proszę pani - odparł. - My nie musimy się martwić o prostą ekonomię. Przecież jak wszyscy wiemy, zabijanie ludzi to niezwykle intratny interes. Za każdego nieboszczyka Szatan automatycznie przekazuje nam gratyfikację w diamentach, kokainie i rzadkich pierwiastkach promieniotwórczych.

Podumałam nad tym przez chwilę. Po czym kazałam Haroldowi przynieść więcej czarnego kawioru.

Look me in the cybereyes

Today, when we speak or write about the cybernetic eyes, we think of something like that.

On the first sight (sic!) there is no mistake that technology has been used for visual augmentation; it’s pretty much obvious that the user is wearing an electronic device.

There is a similar issue with the invasive retinal implants, just like this one.

Briefly: a chip, 3 mm in diameter, 1500 pixel resolution, is implanted beneath the retina, in the proximity of macula lutea. Its task is to restore sight. The trials are conducted on the patients with retinis pigmentosa. On the lab website you can find a few movies with the trial’s participants; at the very best, they regain the ability to recognize simple shapes and human silhouettes; they can even read letters no smaller than the A5 paper sheet. Of course this is an amazing improvement in comparison to the total blindness, but it is still not quite the thing we want the bionic eyes to do, and moreover, we don’t know for how long can the chip be used.

This model does not require the user to wear external camera-glasses, a solution present in the other types of “cybereyes”.

But it’s necessary to wear a source of energy in your pocket, and a cable sticks out of your head, which is also not that comfortable. The future models are planned to employ a subcutaneous power device, just like with the cochlear implants.

In the case of retinal degeneration, however, there might be another solution looming in the future, as discrete as the artificial lens.

A the FENS 2012 conference in Barcelona, which I had the pleasure to attend in July, I’ve listened to an extremely interesting lecture. I think we have a breakthrough in retinal implants and even if this one won’t pan out, a certain thought barrier has been crossed. I’d love it to work. Maybe in twenty or thirty years we’ll have retinal implants as available as LASIK surgery.

This is the link to the final paper.

And this is the pre-release pdf I’ve managed to excavate.

So what is it about? The researchers have cultured the primary rat neurons on a polymer with photovoltaic properties. Just like the ones people use to produce solar power panels. We excite the polymer with light, the neurons spike with activity. Voila. The whole bio-organic hybrid was maintained live for as long as the primary neurons can be maintained in good shape in the cell culture. And it was still working.

The long standing goal is to produce a miniature photovoltaic panel, that will replace the function of the damaged photoreceptors. Without the aid of camera or any need to provide current. Now the researchers are implanting a polymer-covered material to the albino rats with a damaged retina.

There was no results yet from the animal experiment in Barcelona. I wonder if this works; by now, we can’t tell for sure, and I don’t want to encourage false hope.

As you can see however, cybereyes don’t have to be seen.

And the creative sf author should remember just that.

Spójrz mi w cyberoczy

W dzisiejszych czasach, kiedy mówimy o cybernetycznych oczach, mamy na myśli mniej więcej coś takiego.

Na pierwszy rzut oka (sic!) widać tutaj wspomaganie wzroku technologią. Podobnie jest z inwazyjnymi, prototypowymi implantami, które podejmują funkcję siatkówki, takimi jak ten tutaj.

Skrótowo: matryca o średnicy 3 mm, o rozdzielczości 1500 pikseli, jest wszczepiana pod siatkówkę, w okolice plamki żółtej. Zadaniem implantu jest przywrócenie wzroku; badania są prowadzone na pacjentach chorych na retinopatię barwnikową. Na stronie znajduje się kilka filmów z uczestnikami próby klinicznej; w najlepszym wypadku uzyskują oni zdolność rozpoznawania prostych kształtów, sylwetek i czytania liter wielkości kartki A5. Oczywiście w porównaniu z całkowitą ślepotą jest to niezwykła poprawa, ale to jeszcze nie to, czego byśmy chcieli od bionicznych oczu, poza tym nie wiadomo, jak długo taki chip może w oku wytrzymać.

Ten model nie wymaga jednak noszenia przez użytkownika zewnętrznych okularów z kamerą, czyli rozwiązania obecnego w innych typach „cyberoczu”.
Trzeba jednak mieć w kieszeni źródło zasilania, a z głowy wystaje niewygodny kabelek. Przyszłe modele mają wykorzystywać zasilanie umieszczane podskórnie, tak jak w przypadku implantów ślimakowych.

W przypadku chorób degeneracyjnych siatkówki może jednak zwycięży inne rozwiązanie, równie dyskretne, jak sztuczne soczewki.

Otóż na konferencji FENS 2012 w Barcelonie, na której byłam w lipcu, wysłuchałam niezwykle ciekawego wykładu. Zdaje się, że doszło do przełomu w dziedzinie implantów siatkówkowych i nawet, jeżeli ten konkretny nie wypali, pewna bariera myślowa została już przekroczona. Bardzo bym chciała, żeby to zadziałało - może za dwadzieścia, trzydzieści lat implanty będą powszechnie dostępne, jak laserowa korekta wad wzroku czy też operacja zaćmy.

Tutaj jest link do publikacji w wersji ostatecznej.
Tutaj wydłubałam pdfa.

O co chodzi? Zespół, o którym mowa, opracował metodę hodowli szczurzych neuronów na polimerze o właściwościach fotoelektrycznych. Dokładnie takim, jakich używa się do produkcji baterii słonecznych. Polimer pobudzamy światłem, w neuronach pojawia się aktywność. Voila. Cały bio-organiczny hybrydowy system utrzymywano tak długo, jak długo w ogóle można trzymać neurony w hodowli. I działał.

Ostatecznym celem badań jest wyprodukowanie maleńkiego światłoczułego panelu, który będzie zastępował uszkodzone fotoreceptory, bez zewnętrznej kamery i bez zasilania. Na dalszym etapie badań mają wszczepiać materiał pokryty polimerem szczurom-albinosom ze zniszczoną siatkówką.

W Barcelonie jeszcze nie było żadnych wyników eksperymentu na zwierzętach. Ciekawe, czy to się uda; na tym etapie na dwoje babka wróżyła. Nie chcę wywołać błędnego wrażenia, że to już.

Jak jednak widać, cyberoczy wcale nie muszą przyciągać wzroku. Co, oczywiście, powinien zapamiętać każdy twórczy autor sf.

Almost autistic mice, part 2.

If we want to look for the autism mouse models, first we have to realize one basic caveat.

Mice can’t get autism.

A mouse doesn’t speak and doesn’t indulge in human-level sophisticated social interactions. Inter-mouse relations are mostly driven by the touch and smell, sight isn’t as important. Mice don’t have facial emotional expressions. Mouse focus and selection between varying stimuli is guided by a different set of rules. Mouse behavior can only deviate from a mousy norm.

What we can watch however are so called autistic-like behaviors. We can examine if one little rodent is more anxious than the other or how eager it is to explore novel surroundings. We can observe its communication with the other members of the species, including quality and quantity of the ultrasonic squeaks (yup, you can essentially do a whole PhD in mouse squeaks). We can see if there is repetitive behavior, for example excessive grooming. That’s about it if it comes to the symptoms.

Now we have to think which genes we’d like to turn off in order to trigger these symptoms.

I’ve been asked if it would be a good strategy to foul up their mirror neurons. After all, it has been described that mirror neurons aren’t working as they should in people with autism.

Actually this is not such a good idea, ant that’s why:
If you create an experiment like that, the question you ask isn’t “what can I do to get mouse models of autism”, only “what happens if you break mirror neurons in mice?”. In fact, these are at least three separate questions.

- Do mice have mirror neurons

- Which genes we have to turn off in order to break them (surgery wouldn’t be an option – at least in humans and monkeys we find mirror neurons all over the motor cortex)

- If we break them, do these mice exhibit “autism” or something entirely different (The mirror neuron hypothesis of autism is very much discussed. According to the latest research, autistic people don’t have a deficiency in this area.)

Getting back to our story, there are a few different strategies to develop mouse models for autism. Each has their pros and cons and probably they are all needed if we want to get a full picture. I’ll try to list them, bear in mind however that it’s not a perfect description.

1. Research on the syndromic autism

In some genetic syndromes autism is only one of the problems and not the worst one. Yes, it is possible to have that much bad luck. Those syndromes are caused by either a single mutation or loss/duplication of a chromosome fragment, and therefore a whole set of genes. Usually they are quite severe. Rett syndrome, Fragile X Syndrome (FXS), Apert syndrome or well-known Down syndrome (this is a special case, since there is a whole additional chromosome) don’t have much in common with the pop-image of the autistic savant genius. There is about 100 mutations associated with syndromic autism, some of them very rare.

We create a mouse model of one of these. We turn off or duplicate the same genes that are the cause of the syndrome in people.

Pros: We know the cause. We can do the same to mice. We are able to figure out which other biochemical pathways are broken because of the original mutation. We can look for the drugs that would alleviate the symptoms. For example the research on Fragile X Syndrome is very intensive at the moment. These syndromes probably aren’t ever to be completely cured, but if the patients cope better, it makes a great difference – for them and their parents.

Cons: these syndromes differ from the „vanilla” non-syndromic autism. It is possible that they don’t have anything in common in terms of biochemistry, just that the symptoms are alike. Additionally, in many of these syndromes autism isn’t always present. It depends on the genetic background. Which we know nothing about.

2. Research on the non-syndromic autism.

We take a group of people with autism – the more the better. We sequence their genomes (or parts of it). We check if there are some rare genetic variants, which are present in this group more often. This group would be ideally blood relatives or people of a very similar genetic background.
Then we turn off these genes in mice.
Actually there is already a lot of candidate genes for autism, so we don’t even have to sequence ourselves.

Pros: If it works, we have a more-or-less autism mouse model. Now we can culture the neurons, regulate the biochemical pathways with some drugs and figure out which would alleviate the symptoms. It might even give interesting results.

Cons: We mutate some mice… and nothing happens. Or something happens, only this isn’t autism at all. After all, non-syndromic autism is thought to be multigenic, caused by the accumulation of some genetic variants. Or simply it doesn’t work because a mouse is different from a human. D’oh!

3. Research on the inbred mouse with autistic-like symptoms

We take some mice. We inbreed them as long as we get the animals that sit in the corner of their cages and don’t squeak to each other. Then we look at whatever we have selected.

Pros: There will be papers out of it.

Cons: Seriously, does it have anything to do with the human autism? There is a hell lot of genes that influence the nervous system in different ways and the same symptoms might be caused by the different triggers. Fragile X Syndrome and tuberous sclerosis mutations, both known to cause autism, are - biochemically - opposites. We have autistic-like mice, derived by some warped kind of convergent evolution, but does it tell something about the universal mechanism?
Well, people think it might and do just that.

Phew. I have just provided a quick sketch on the topic, without all the technical details, for example what can get broken at the synapse. There are books and symposiums on it. We know a little bit about the biochemical pathways, receptors and other proteins involved in autism – or rather, autisms. Just like I wrote in the previous post, it isn’t a single disorder. If we ever start to treat it with drugs, it will be a personal composition for each patient. Once the prices of whole genome sequencing drop to a reasonable level, it will become possible.

And that alone will bring a new set of challenges. Even if we do not mention the insurance costs.

Prawie autystyczne myszy, część 2

Poszukiwaniom mysich modeli autyzmu towarzyszy pewna podstawowa trudność.

Myszy nie mogą mieć autyzmu.

Mysz nie mówi i nie rozwija tak skomplikowanych interakcji społecznych, jak człowiek. Inaczej selekcjonuje bodźce. Relacje międzymysie są zdominowane przez węch i dotyk, a nie wzrok. Mysz nie posiada mimiki. Mysia zdolność koncentracji jest zupełnie inna, niż ludzka. Mysz może zachowywać się w sposób odmienny tylko wobec mysiej normy, a ta jest dość skromna.

Zwierzę takie jak mysz może mieć natomiast szereg zachowań związanych z autyzmem (autistic-like behavior) i właśnie te zachowania się ocenia. Miedzy innymi sprawdza się lękliwość gryzonia, chęć eksploracji nowych pomieszczeń, chęć nawiązywania międzymysich interakcji oraz ilość i jakość komunikacji za pomocą ultradźwięków (tak, nie mylicie się, można się doktoryzować z pisku myszy). Obserwuje się również zachowania kompulsywne, jak np. zbyt intensywne czyszczenie futerka. To mniej więcej tyle, jeżeli chodzi o objawy.

Teraz należy się zastanowić nad wyborem genów, jakie można wyłączyć, żeby je wywołać.
Zadano mi pytanie, czy nie należałoby popsuć myszom neuronów lustrzanych. Kilka lat temu doniesiono przecież, że mogą one błędnie działać u ludzi z autyzmem.

Wyjaśniam już, dlaczego to nie jest dobre podejście:

Jeżeli projektujesz takie doświadczenie, nie zadajesz pytania „co mam zrobić, żeby otrzymać mysi model autyzmu”. Zadajesz pytanie „do czego służą myszom neurony lustrzane?”. Właściwie są to przynajmniej trzy pytania:

- czy myszy mają neurony lustrzane

- jakie geny trzeba wyłączyć, żeby zakłócić działanie neuronów lustrzanych (chirurgiczna interwencja nie wchodzi w rachubę, bo neurony lustrzane odzywają się na przestrzeni całej kory ruchowej).

- czy jeżeli je wyłączymy, dostaniemy mysz z objawami autyzmu, a nie czegoś kompletnie z autyzmem niezwiązanego. Co wcale nie jest pewne, bo ostatnio doniesiono, że te neurony u ludzi autystycznych zachowują się całkiem normalnie.

Wróćmy do tematu. Istnieje kilka strategii poszukiwania mysich modeli autyzmu. Każda z nich ma swoje wady i zalety, każda podchodzi do tematu z innej strony; prawdopodobnie żeby dostać jakiś sensowny obraz sytuacji potrzebujemy wszystkich.

Podejmę skromną, zgrubną i niedokładną próbę opisania ich.

1. Badania nad autyzmem syndromicznym

Istnieją zespoły genetyczne, w których autyzm jest tylko jednym z problemów i to wcale nie najpoważniejszym. Tak, niestety można mieć takiego pecha. Przeważnie są one wywołane wyłączeniem pojedynczego genu lub utratą/duplikacją fragmentu chromosomu. Zazwyczaj sprawa jest dość poważna: Zespół Retta, Zespół Łamliwego Chromosomu X (FXS) , zespół Aperta czy też dobrze znany zespół Downa (gdzie chory ma cały dodatkowy chromosom) nijak się mają do popkulturowego obrazu autysty-sawanta. A takich zespołów, niekiedy bardzo rzadkich, istnieje około stu.

Tworzymy model interesującego nas zespołu, wyłączając lub duplikując u myszy dokładnie te same geny, które przyczyniły się do ludzkiej choroby.

Zalety: Znamy przyczynę. Łatwo możemy zepsuć ten sam gen u myszy. Można się dowiedzieć, jakie inne ścieżki biochemiczne są popsute. Możemy szukać leków, które będą łagodziły objawy. Obecnie na przykład całkiem intensywnie prowadzi się badania nad Zespołem Łamliwego Chromosomu X. Tych zespołów nie da się całkowicie wyleczyć, ale nawet niewielka poprawa to ogromna różnica dla dzieci i ich rodziców.

Wady: to kompletnie inne choroby, niż „zwykły”, niesyndromiczny autyzm. Jedno może nie mieć nic wspólnego z drugim, tyle tylko, że objawy są podobne. No i dodatkowo: dzieci z tymi zespołami bywają, ale nie muszą być autystyczne. Reszta zależy od tła genetycznego. Jakiego? Nie wiemy.

2. Badania nad autyzmem niesyndromicznym

Bierzesz grupę ludzi z autyzmem – im większą, tym lepiej. Sekwencjonujesz im genomy (albo tylko pewną część genomu), sprawdzasz, czy jakieś rzadkie warianty genetyczne występują u nich częściej, a potem psujesz myszom dokładnie te geny, w których znaleźliśmy rzadkie warianty. Ewentualnie: bierzesz dużą rodzinę, w której występuje autyzm i robisz to samo. Znamy już całkiem sporo takich genów-kandydatów do szczegółowej oceny, trzeba tylko przetestować je na zwierzętach.

Zalety: jeżeli nam się powiedzie, dostajemy mniej-więcej-dobry mysi model autyzmu. Możemy teraz hodować neurony na szalce i patrzeć, jakie receptory i przekaźniki wyregulować, żeby było lepiej. Czasami to podejście daje ciekawe wyniki.

Wady: mutujemy mysz… i nic. Albo coś, tylko kompletnie bez związku z autyzmem. Niesyndromiczny autyzm jest uważany za wielogenowe zaburzenie. Może zostać spowodowany przez nagromadzenie kilku różnych wariantów genetycznych. Już pomijam różnice między wyłączeniem genu a mutacją, która tylko upośledza produkowane przezeń białko. Albo po prostu to nie działa, bo mysz to nie człowiek. D’oh!

3. Wsobna hodowla myszy prawie autystycznych

Bierzemy linię myszy. Krzyżujemy je wsobnie, selekcjonując tak długo, aż otrzymamy zwierzęta kulące się w kącie klatki i nie piszczące do siebie nawzajem. A potem patrzymy, co właściwie wyselekcjonowaliśmy.

Zalety: będzie z tego dużo publikacji.

Wady: nie wierzę, że wyjdzie cokolwiek analogicznego do badań na ludziach. Na układ nerwowy wpływa całe mnóstwo genów – te same objawy mogą mieć różne przyczyny. Mutacje np. w dwóch syndromach związanych z autyzmem, FXS (wspomnianym w punkcie 1) i stwardnieniu guzowatym dają dokładnie przeciwstawne efekty biochemiczne. Metodą ewolucji równoległej hodujemy sobie prawie autystyczne myszy, ale czy istnieje uniwersalny mechanizm?
Może właśnie aby odpowiedzieć na powyższe pytanie, ludzie i tak to robią.

Uff. Nakreśliłam tylko zagadnienie, unikając zresztą szczegółów technicznych. Organizuje się o tym całe sympozja i pisze książki. Mamy już niejakie pojęcie o ścieżkach biochemicznych, receptorach i innych białkach zmienionych w autyzmie - a raczej w autyzmach. Jak napisałam na samym początku, to nie jest jedna choroba. I na pewno, jeżeli doczekamy się leków, będą to różne zestawy dla różnych pacjentów. Ten sam receptor jednym ludziom trzeba będzie pobudzić, innym wyciszyć. Możliwe, że będziemy musieli skomponować osobisty koktajl leków dla każdego potrzebującego. Co stanie się możliwe, gdy spadną ceny sekwencjonowania ludzkiego genomu.

A to przyniesie ze sobą osobny zestaw wyzwań i już nawet nie wspominam o kosztach ZUS.

Almost autistic mice, part 1.

Autism isn’t a single disorder. It’s a full spectrum of developmental delays, which include several common symptoms. Delayed speech or even lack thereof, impaired relations with the outside world, narrowly focused attention, repetitive activities and interests. IQ may be lower, but not always. There are cases of autistic children that learn to read and write, play piano or solve mathematic equations, only they still don’t speak.

Because autism is a spectrum, each symptom can differ in their severity. You can’t find two autists that present exactly the same. Medicine classifies them according to the severity of symptoms. It’s also important if the IQ is impaired. The “least disordered” on the spectrum are people with Asperger Syndrome, who are intellectually normal, sometimes even get their PhDs, but they dramatically fail in social relationships, although they need them badly. The TV version of this is Sheldon Cooper.

(Any geek lacking social skills should be warned though. Do not diagnose yourselves over the Internet. It’s possible to make spelling mistakes without dyslexia, just as well one can have bad social skills without the Asperger’s. You alone can’t tell the difference between sheer lack of talent and a disorder. If you need to know, please go to a specialist.)

Et cetera. There is a huge ass load of the relevant literature. I am not a medical doctor, so I know about autistic people just as much as any of you can read.

Professionally I am more interested in autistic mice.

To help these kids (and adults), somebody must do basic research. These are conducted on animals. You can’t do squat without transgenic mouse models.

The problem is we are still learning which genes we need to modify.

A few posts earlier I wrote about the neuron. It had dendritic spines, which didn’t really look spiney. More like red mushrooms. Those dendritic spines make synapses with the axons of other neurons. Remember?

Nice.

The researchers focus on these mushrooms. We suspect that autism - and the other disorders like for example schizophrenia - are caused largely by the faulty connections and signaling between neurons. Shortly - we have to turn off genes so the shrooms get fouled up and then we see what happens.

Okay, it’s a simplified version.

However, since autism is such a complicated disorder, which genes to choose from? What strategy to use? What will bring us closer to the real deal?

Now you are probably expecting a smart answer in two snappy phrases. Unfortunately, we're not on a news website, and science is always more about the questions than the answers. Anyway, this post got out of control. It's already too big.

See you then, and until the next episode.

Prawie autystyczne myszy, część 1.

Autyzm nie jest jedną chorobą. To spektrum zaburzeń pod wspólnym mianownikiem kilku charakterystycznych objawów. Opóźnienie lub brak rozwoju mowy, zaburzony kontakt ze światem zewnętrznym, skupienie uwagi na wąskim zakresie powtarzalnych czynności i zainteresowań. IQ może być obniżone, ale niekoniecznie. Istnieją autystyczne dzieci, które uczą się czytać i pisać, grać na fortepianie i rozwiązywać skomplikowane równania matematyczne, ale nadal nie mówią.

A ponieważ autyzm to spektrum, natężenie objawów jest za każdym razem inne. Nie ma dwóch identycznych autystów. Klasyfikacja medyczna dzieli autyzm min. według nasilenia objawów oraz towarzyszącego im opóźnienia umysłowego - lub jego braku. „Najlżejszym” zaburzeniem z tej grupy jest Zespół Aspergera - ludzie dotknięci tą przypadłością są intelektualnie w normie, czasem nawet robią doktoraty, ale mają spore trudności w relacjach społecznych - chociaż ich poszukują i potrzebują do szczęścia. Coś jak Sheldon Cooper z serialu The Big Bang Theory.

(Przestrzegam jednak każdego kujona o słabych zdolnościach społecznych przed diagnozowaniem się przez Internet. Można mieć problemy z ortografią i nie być dyslektykiem, można mieć kiepskie zdolności społeczne i nie mieć Aspergera. Nie wiecie, gdzie przebiega granica między brakiem talentu a zaburzeniem. Jeżeli chcecie się zdiagnozować, najlepiej idźcie do specjalisty.)

Etc. Istnieje ogromne mnóstwo artykułów na ten temat. Nie jestem lekarzem, toteż o autystycznych ludziach wiem tyle, ile jest w stanie przeczytać każdy z was.

Ze względów zawodowych bardziej interesują mnie autystyczne myszy.

Otóż żeby pomóc dzieciom (i dorosłym) z autyzmem, ktoś się musi zająć badaniami podstawowymi, a te przeprowadza się na zwierzętach. Nie da się zrobić niczego bez transgenicznych mysich modeli.

Problem polega na tym, że dopiero się uczymy, jakie geny powinniśmy im zmodyfikować.

Kilka notek wcześniej pisałam o neuronie. Tenże neuron ma kolce dendrytyczne, które wcale nie wyglądają na kolce. To te czerwone grzybki. Kolce dendrytyczne tworzą synapsy z aksonami innych neuronów. Pamiętacie?

Git.

Otóż uwaga badaczy koncentruje się właśnie na tych grzybkach. Podejrzewamy, że autyzm - oraz inne zaburzenia, takie jak schizofrenia - biorą się z nieprawidłowych połączeń i sygnalizacji między neuronami. Ogólnie - wyłączmy myszom jakiś gen, żeby grzybki się popsuły i zobaczmy, co się stanie. Mocno upraszczam, bądźcie tego świadomi.

Ale teraz, skoro autyzm to takie skomplikowane zaburzenie - jaki gen wybrać? Jakiego spróbować podejścia? Jakie będzie najbardziej zgodne z rzeczywistością?

Pewnie się spodziewacie dwulinijkowej, błyskotliwej odpowiedzi. Niestety, nie jesteśmy na portalu z newsami, a nauka polega raczej na zadawaniu odpowiednich pytań niż wyjaśnianiu wszystkiego raz na zawsze. W każdym razie - materiał wypełzł mi na następną notkę.

Dowiecie się więc w kolejnym odcinku.

Could Flowers for Algernon really happen?

Have you read the book Flowers for Algernon?

There is a paper by Konopka et al., which describes the mice that recapitulate Algernon’s (and the protagonist’s) fate.

These mice were genetically modified in an interesting way. Namely, they have a molecular “switch” in the brain, that upon addition of a drug (tamoxifen), causes them to turn off a gene. This gene produces a protein that directs making of micro RNAs, small RNA particles that regulate pretty much almost everything. To simplify, the small RNAs keep down the production of many proteins responsible for learning. When we turn them off, the production goes up.

The process is gradual. Micro RNAs are very stable in the brain. Only several weeks after having a gene turned off the mice have started to experience some effects. And surprisingly, as some brain protein levels were rising, the mice were getting smarter.

There is a lot of tests to examine how smart a mouse actually is. They aren’t perfect, because these tests were originally designed for rats, and rats are much more intelligent. A mouse is generally a dumb animal, and doesn’t socialize as well with humans, so it’s harder to make it learn.

For example, take the Morris water maze test. Basically what you do is that you let a mouse into a water pool. Mice can swim, but they don’t like getting wet. The only way to get away from the water is to find an invisible platform and step on it. The first time, a mouse finds it by exploring. For several days, the mouse is learning where it is, so she gets there gradually faster.

This way we can compare mice lacking a gene and normal mice and see how fast they learn. This is a very good test… unless the mice don’t want to learn. Because, for example, they come from a dumber strain. Of because they don’t like the experimenter’s scent, or there are two different experimenters and the mice are confused. I’ve even heard that water’s temperature can be an issue. When it’s too cold, a mouse will be too uncomfortable to explore and just swim in circles. When it is too pleasant for the mouse, it will delay searching the platform and float on the water, having fun.

Altogether, behavioral testing is a pain in the ass, or so I’ve been told, because so far I’ve been mostly doing molecular research.

So you take these mice, run a battery of test, and each one of them shows a different aspect of a mouse learning. At the end of the story you have a pretty good idea of how smart your mice are. It takes time. And if your experiment doesn’t work – for the reasons mentioned above or more – you repeat that. Then you have to repeat that once again. After all, this particular mouse could be just smart by accident. To fulfill the minimum for a publishable experiment, you must repeat it at least three times. Not – three mice. Three groups of mice, one after another, preferably each from a new litter.

Mice live up to two years, and they start to age at approximately seven months. By the time you have finished all the tests, your first litter of genetically modified mice has probably gotten old. Anyway if this is a new strain, you want to see how they age.

In the case of the paper I’m writing about, the researchers already knew that these mice age badly. After the intelligence boost, when they lose all the miRNAs, they experience neurodegeneration. Just like in the “Flowers for Algernon” – first they get smart, and then decline with devastating effects, only it was discovered in a reverse order.

You can’t get genetically modified humans. But what if the experiment was about a therapy, a drug or an operation, like in the novel? Could Flowers for Algernon happen in real life?

There was just one mouse in the book. If I recall correctly, the experiment wasn’t even repeated before they applied it on a human. Mice age fast – the scientists in the book would have noticed something before even thinking about human tests. They wouldn’t even have to wait on purpose. It’s impossible to do all the tests that were done on Algernon, then some additional experiments to support it, describe it all, show it to the press and publish without the mouse getting old. The reviewers would make them create more mice like Algernon. They would make them dissect Algernon’s brain and investigate the slices. This paper would get stuck in a publishing hell!

Or maybe that was feasible several decades ago, when the book was written? Maybe the rules weren’t that restrictive, but the media weren’t that fast, too.

Therefore I have no clear answer. And I do wonder.

Czy Kwiaty dla Algernona jako powieść sf zdają test realizmu naukowego?

Czytaliście może Kwiaty dla Algernona?

Jakiś czas temu ukazała się praca Konopki i wsp., gdzie opisano myszy, które podzieliły los Algernona (oraz głównego bohatera książki).

Otóż te myszy zostały zmodyfikowane genetycznie w dosyć ciekawy sposób. Wyposażono je mianowicie w molekularny „przełącznik” w mózgu. Kiedy podamy takim myszom lek (tamoxifen), wyłącza się pewien gen. Koduje on białko zawiadujące produkcją mikro RNA – krótkich cząsteczek, które regulują… no, praktycznie wszystko. W uproszczeniu – te niewielkie cząsteczki RNA obniżają produkcję wielu białek odpowiedzialnych za uczenie się. Kiedy ich braknie, produkcja wzrasta.

Ten proces zachodzi stopniowo. W mózgu mikro RNA są bardzo stabilne. Dopiero w kilka tygodni po tym, jak podano im lek, myszy zaczynają doświadczać skutków wyłączenia genu. Jak się okazuje, gdy poziom pewnych białek w mózgu zaczyna wzrastać, zwierzęta stają się bystrzejsze.

Dysponujemy wieloma testami inteligencji dla myszy. Nie wszystkie są doskonałe. Większość z nich zaprojektowano dla szczurów, które w ogóle są dość bystre. Myszy to durne zwierzęta, a w dodatku kiepsko się oswajają, toteż trudno je skłonić do nauki.

Weźmy na przykład taki basen wodny Morrisa. Bierzesz mysz i wpuszczasz ją do balii z wodą. Myszy potrafią pływać, ale bardzo tego nie lubią. Mysz może wyjść z wody tylko w jeden sposób – musi znaleźć przezroczystą, niewidoczną dla niej plaftormę i wdrapać się na nią. Za pierwszym razem zwierzę znajduje drogę do platformy przypadkowo, eksplorując otoczenie. Przez kilka następnych dni mysz uczy się, gdzie znajduje się platforma i dociera tam w coraz krótszym czasie, który mierzymy.

W ten sposób można porównać myszy normalne i zmodyfikowane. Wszystko pięknie, tyle, że… czasem zwierzęta nie chcą się uczyć. Bo – na przykład – pochodzą akurat z głupszego szczepu. Albo nie podoba im się zapach eksperymentatora. Albo doświadczenie przeprowadza dwóch badaczy na zmianę, co denerwuje myszy. Słyszałam, że nawet niewłaściwa temperatura wody może zakłócić eksperyment. Jeżeli jest zbyt zimno, mysz nie chce szukać platformy, tylko rozpaczliwie pływa w kółko. Jeżeli temperatura za bardzo jej odpowiada - odpuszcza sobie eksplorację, unosi się na wodzie i relaksuje.

Ogólnie rzecz biorąc badania nad zachowaniem zwierząt to niewdzięczna robota, a przynajmniej tak mi mówiono, bo sama jestem głównie molekularna.

A zatem – bierzesz myszy, przeprowadzasz na nich serię testów i pod koniec eksperymentów masz już całkiem niezłe pojęcie o inteligencji swoich zwierząt. Takie badania zajmują sporo czasu. Czasem coś nie wychodzi, z powodów wyżej wymienionych lub innych, i doświadczenie trzeba powtórzyć. A potem powtarzasz raz jeszcze. Naukowe minimum to trzy powórzenia. Nie – trzy myszy. Trzy grupy zwierząt po kolei, najlepiej każda z innego miotu.

Mysz żyje około dwóch lat. Po mniej więcej siedmiu miesiącach zaczyna się starzeć. Załóżmy, że wszystkie doświadczenia zostały już dokończone. Istnieje całkiem spore prawdopodobieństwo, że pierwszy miot twoich transgenicznych myszy osiągnął wiek stosunkowo leciwy. Jeżeli to jest nowy, niezbadany szczep, zapewne chcesz zobaczyć, co się w nich zmienia, kiedy się starzeją.

W przypadku publikacji Konopki i wsp., badacze już wcześniej zaobserwowali, że ich myszy czeka na starość kiepski los. Po krótkotrwałej poprawie inteligencji rozpoczyna się neurodegeneracja. Jak w Kwiatach dla Algernona, najpierw myszy mądrzeją, a później ich stan gwałtownie się pogarsza. Tyle tylko, że w przypadku tych myszy efekty wyłączenia genu odkryto w odwrotnej kolejności.

Ma się rozumieć, ten konkretny przypadek nie ma zastosowania wobec ludzi, bo przecież nie modyfikujemy genetycznie ludzkich zarodków. Ale gdyby chodziło o eksperymentalną terapię, lek, albo – jak w książce – zabieg chirurgiczny?

Otóż książkowy Algernon był pojedynczym egzemplarzem. Jeżeli pamięć mnie nie zawodzi, w ogóle nie powtórzono eksperymentu przed testami na ludziach (czyli na głównym bohaterze). Myszy starzeją się szybko. Naukowcy w książce szybko zorientowaliby się, że coś jest nie tak, zanim w ogóle pomysł testów na ludziach przyszedłby im do głowy. Nie musieliby nawet czekać i obserwować myszy. Zanim przeprowadziliby wszystkie testy na Algernonie, zrobili parę dodatkowych kontrolnych eksperymentów, wszystko opisali, przedstawili prasie i wreszcie opublikowali, Algernon osiągnąłby poważny wiek.

Recenzenci kazaliby im przecież stworzyć więcej takich myszy. Co więcej, dla dobra nauki Algernon musiałby zostać zabity, a jego mózg pocięty na skrawki i dokładnie obejrzany pod mikroskopem. Publikacja o tej cholernej myszy utknęłaby w piekle wydawniczym na bardzo długi czas!

Może kilka dekad temu bieg wydarzeń przedstawiony w książce nie był znowu tak nieprawdopodobny? Zasady prowadzenia testów na ludziach nie były takie restrykcyjne – chociaż z drugiej strony, publikowano też mniej i wolniej.

Nie mam więc jasnej odpowiedzi na pytanie zadane w tytule. I sama się zastanawiam.

Neuron as it is, everybody sees.

This is what I work with.

This is a rat neuron in a cell culture. It is already dead – fixed with formaldehyde, to be exact. We grow them on coverslips. This way, it’s easy to make a preparation to watch with the microscope.

Granted, you’re not a hermit living in the woods for the last thirty years and you have probably seen similar pictures in the popular science news. I’ll go one step further and explain what it actually means.

The neuron is stained with two different fluorescent dyes. The green one shows the protein called MAP2. It’s supposed to be present only in the dendrites (Tentacles of a neuron. Now you know.), so it serves as a tool to make them visible with the fluorescent microscope. To stain it, I have used an antibody that binds MAP2, and another antibody that binds to the former one, with a fluorescent dye attached on top.

We need two antibodies that pile up one on another, because it reinforces the signal.
The red stuff is f-actin. Actin is an important component of the cell’s skeleton and it exists in two forms: polymerized and non-polymerized. F-actin is the polymerized one. Look at the red dots that overlap with the green tentacles. These are the dendritic spines. They don’t look spiney at all, but trust me, I’m a scientist. Those little guys make synapses with the axon (Another tentacle of a neuron. Contrary to the dendrites, each neuron has only one axon. You can’t see the axons only because I haven’t stained them).

To stain the spines, I have used phalloidin, a poisonous peptide derived from the death cap mushroom. In this quantity is not even enough to poison a mosquito and more conveniently, it is attached to a red fluorescent dye.

This picture has been taken with the confocal microscope. The colours match the dyes visible with the fluorescent microscope, however I could make them violet and yellow and it wouldn’t matter.

And now look again and behold.

Neuron jaki jest, każdy widzi

Spójrzcie, z czym pracuję.

Niniejszym przedstawiam szczurzy neuron z hodowli komórek. Nieżywy, ma się rozumieć. Utrwaliłam go formaldehydem i wybarwiłam. Neurony utrzymujemy w hodowli na szkiełkach, dzięki temu łatwo zrobić preparat mikroskopowy.

Zakładam, że nie jesteś, czytelniku tego bloga, pustelnikiem żyjącym z dala od cywilizacji przez ostatnie trzydzieści lat i widywałeś takie fotki w czasopismach lub portalach. Zamierzam pójść krok dalej i podjąć trud objaśnienia, co widać na niniejszym obrazku.

Oto neuron w dwóch kolorach. Zielonym barwnikiem wyznakowałam białko MAP2, obecne tylko w dendrytach (To te długie macki, jakby ktoś miał jakieś wątpliwości). Dzięki temu wiem, gdzie w ogóle znajdują się dendryty. Użyłam w tym celu przeciwciała, które wiąże się z białkiem MAP2. Potem dodałam drugiego przeciwciała, które wiąże się z tym pierwszym, a dodatkowo zawiera zielony fluorescencyjny barwnik. Wnikliwy czytelnik zapyta - po co mi aż dwa przeciwciała na kupie? Otóż dzięki temu sygnał jest dostatecznie mocny, żeby go zobaczyć.

Czerwony barwnik pokazuje, gdzie znajduje się f-aktyna, białko, które wchodzi w skład rusztowania komórki - cytoszkieletu. Aktyna istnieje w dwóch formach – spolimeryzowanej i niespolimeryzowanej, a mnie zależy na tej pierwszej. Spójrzcie na czerwone kropki nieopodal zielonych macek. To kolce dendrytyczne. W ogóle nie wyglądają jak kolce, ale uwierzcie mi, jestem naukowcem. Kolce tworzą synapsy z końcówkami aksonu (Inna macka. Każdy neuron ma tylko jeden akson. Nie widać ich tutaj, bo są niewybarwione).

Żeby zobaczyć kolce, dodałam falloidyny, toksycznego peptydu pozyskanego z muchomora sromotnikowego. Dawka jest nieduża, nie otrułabym nią nawet komara, a dodatkowo cząsteczka została związana z czerwonym fluorescencyjnym barwnikiem.

Zdjęcie zrobiłam na mikroskopie konfokalnym. Dopasowałam kolory do tego, co widać pod mikroskopem fluorescencyjnym, ale cyfrowo można je zamienić i nie będzie to miało żadnego znaczenia dla moich danych.

A teraz popatrzcie jeszcze raz i podziwiajcie.

Life under construction

Lately, the worst plague of our Institute has been the renovation. More precisely, the building is growing, adding two new wings to itself. And our lab is, as always, in the center of attention. This time it’s the attention of the construction workers, because the lab space is side to side with the new wing. We’re essentially living at the construction site. Some of the most fragile equipment has been already moved, to avoid it getting damaged by the dust.

Don’t get me wrong. It is necessary. Moreover, I should be at home with the situation. I’m Polish and Varsovian, which essentially means I have been living in the midst of construction for my whole life. As a kid, I had moved to a completely new district and started my education in a freshly built school. After several years, the school has proved to be too small anyway, but there was already another one built in the vicinity, mint quality, still smelling of fresh paint.

Somewhere in between, people decided it would be best we stop building communism and build some capitalism instead. There was a completely new political system, and if not everything was working as it should right away, that was because it was still under construction. New buildings started sprouting everywhere like mushrooms. I went to the high school the first year they have opened metro (the subway system) and even if that high school wasn’t new at all, and it has prided itself on its tradition, the curriculum was rewritten every year of two.

And guess what? I had a brand new university building as well. The Department of Biology got one when I was in my second year, and believe me, it was needed!
Afterwards I had lived in my parents’ new house for a short time. They haven’t bought it, of course. Buying houses is for pansies. A marriage of two MSc construction engineers can only build one. Sure, there was a crew of workers and an architect, but my parents wouldn’t be themselves (and Polish, and Varsovians) if they haven’t been directly involved in the project.

I should be in love in the sound of impact drills. I should breathe dust with delight. Some of my neighbors sadly do – renovations are, apparently, their favorite hobby. Unfortunately I can’t overcome my fondness for peace and quiet.
There’s a good side to it, however. To build, to construct, to create is to make something new. And new is exciting, even if it means change, alongside with the chaos it brings.

Życie na placu budowy

W ostatnich dniach najgorszą plagą Instytutu stały się remonty. Ściślej mówiąc, budynek rozrasta się o dwa nowe skrzydła. Nasz lab znowu znalazł się w centrum uwagi, tym razem uwagi robotników budowlanych, a to dlatego, że mamy narożnik i przestrzeń laboratoryjna znajduje się ścianę w ścianę z nowym skrzydłem. Tak, że pracujemy właściwie na placu budowy. Część sprzętów przeniesiono już do innego pokoju, żeby nie uszkodził ich kurz.

Staram się nie narzekać - w końcu jak trzeba, to trzeba. W dodatku powinnam być przyzwyczajona. Jako Polka, a co gorsza - Warszawianka, całe życie spędziłam przecież na metaforycznym placu budowy. Zaczynałam naukę w nowo otwartej szkole na niedawno wybudowanym Natolinie. Po kilku latach i ta szkoła okazała się zbyt mała na szybko rosnącą ursynowską populację, ale bliżej domu właśnie wybudowano drugą, nową. Pachniała jeszcze farbą.

Mniej więcej w tym czasie ludzie znudzili się budowaniem komunizmu i postanowili, że zbudują sobie kapitalizm. Przez pierwszych kilka lat wszystko się docierało; nowy system polityczny był istnym placem budowy. Zresztą budowano wszędzie. Warszawa obrodziła wieżowcami, które wyrastały jak grzyby po deszczu. Kiedy zdałam do liceum, byłam pierwszym rocznikiem, który dojeżdżał do szkoły metrem. I chociaż moja szkoła była raczej z tych starych i tradycyjnych, właśnie rozpoczęto tradycję nieustannego majstrowania przy programie.

Skoro tylko zaliczyłam pierwszy rok studiów i nauczyłam się, gdzie co jest, już trzeba było się przenosić do nowego budynku Wydziału Biologii. Był piękny, nowoczesny, zielony i bardzo potrzebny, bo Szkoła Główna pruła się w szwach, nie mówiąc nawet o mikrobiologach kiszących się po drugiej stronie ulicy (teraz siedzą tam Nauki Polityczne i Dziennikarstwo).

Później wyjechałam na Erasmusa, wróciłam i przez jakiś czas mieszkałam jeszcze z rodzicami w ich nowym domu. Nie kupowali go, ma się rozumieć. Kupowanie domów jest dla mięczaków. Porządni inżynierowie muszą swój wybudować. To znaczy, oczywiście, znalazło się w tym wszystkim miejsce dla architekta oraz ekipy budowlanej, ale rodzice sami dopracowywali projekt, inaczej nie byliby chyba sobą.

Powinnam zachwycać się dźwiękiem wiertarek udarowych i wdychać pył jak morskie powietrze. Niektórzy z moich sąsiadów chyba tak właśnie robią, bo w czasie wolnym uwielbiają sobie powiercić. Niestety, nic nie zmieni mojego zamiłowania do ciszy i spokoju.

Oczywiście życie na placu budowy ma swoją dobrą stronę. Budować znaczy tworzyć, czyli powołać do istnienia coś nowego. A nowe jest piękne. Nawet jeżeli oznacza zmianę i chaos, jaki zmiana zawsze ze sobą niesie.