Αν θέλει κανείς να κάνει την καρδιά κάποιου να χτυπήσει πιο γρήγορα, υπάρχουν σίγουρα πιο άμεσοι τρόποι από το να του φωτίσει το αυτί με φακό.
Όταν όμως ο φακός αντικατασταθεί από λέιζερ και το «κάποιον» από ένα zebrafish, τα πράγματα γίνονται απροσδόκητα ενδιαφέροντα.
Το πώς ένα σήμα από το φως φτάνει από το αυτί μέχρι να επηρεάσει τον καρδιακό ρυθμό είναι μια πιο σύνθετη ιστορία, σύμφωνα με τον φυσικό Xiaoshuai Liu από το Guangzhou University στην Κίνα.
Ο ίδιος και οι συνεργάτες του έκαναν ακριβώς αυτό — και το αποτέλεσμα είναι όσο εντυπωσιακό ακούγεται.
«Όταν οι άνθρωποι σκέφτονται το φως και τον ήχο, συνήθως συνδέουν το φως με την όραση και τον ήχο με την ακοή, ένα φαινομενικά φυσικό ζευγάρι. Ωστόσο, αν επιστρέψουμε στη φυσική αρχή του ήχου, αυτός είναι ουσιαστικά δόνηση», είπε ο Liu στο ScienceAlert.
«Η ιδέα του ελέγχου του καρδιακού ρυθμού εμπνεύστηκε από την παραδοσιακή μουσικοθεραπεία. Δεδομένου ότι ο ρυθμικός ήχος μπορεί να ρυθμίσει τον καρδιακό ρυθμό, αναρωτηθήκαμε: Θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε ακριβώς προγραμματισμένες δέσμες φωτός για να συνθέσουμε “φως-μουσική” και να πετύχουμε ρύθμιση του καρδιακού ρυθμού;»
Το αυτί είναι ένα ευαίσθητο και πολύπλοκο όργανο, με δομές ικανές να ανιχνεύουν μικροσκοπικές δονήσεις. Στα περισσότερα σπονδυλωτά, αυτές οι δομές περιλαμβάνουν τα ωτόλιθα — μικρούς κρυστάλλους ανθρακικού ασβεστίου που μοιάζουν με πέτρα. Ο ήχος ή η κίνηση τους κάνει να μετακινούνται, ενεργοποιώντας τα αισθητήρια κύτταρα του αυτιού.
Ο ήχος δεν είναι το μόνο πράγμα που μπορεί να κουνήσει φυσικά ένα μικροσκοπικό αντικείμενο. Εδώ και χρόνια, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τα λεγόμενα οπτικά τσιμπιδάκια για να χειριστούν μικρά αντικείμενα. Με άλλα λόγια, αξιοποιούν την πίεση της ακτινοβολίας ώστε να ασκήσουν μια φυσική δύναμη που μπορεί να σπρώξει ή να μετακινήσει κάτι εξαιρετικά μικρό.
Οι ωτόλιθοι στα αυτιά των προνυμφών zebrafish είναι πράγματι πολύ μικροί.
Και, το σημαντικότερο, η κίνησή τους αποτελεί μέρος του τρόπου με τον οποίο το ψάρι αντιλαμβάνεται τον ήχο και την κίνηση.
Αυτό τους έκανε ιδιαίτερα ενδιαφέρον στόχο για ένα εργαλείο σχεδιασμένο να χειρίζεται μικροσκοπικά αντικείμενα. Αν μια οπτική παγίδα μπορούσε να κινήσει έναν ωτόλιθο χωρίς να φτάσει κανένας ήχος στο αυτί, οι ερευνητές θα μπορούσαν ουσιαστικά να παρακάμψουν το πρώτο βήμα της ακοής.
«Η αρχική μας πρόθεση ήταν να απομακρυνθούμε από τον συμβατικό συνειρμό του φωτός με την όραση και του ήχου με την ακοή και, αντί γι’ αυτό, να εξερευνήσουμε τη δυνατότητα να κάνουμε τους οργανισμούς να “ακούσουν” το φως», εξήγησε ο Liu.
«Μόλις απελευθερωθούμε από τη συμβατική σκέψη, κάθε στρατηγική ικανή να ταλαντώνεται μπορεί να παράγει το ισοδύναμο του ήχου.»
Έτσι, το δοκίμασαν. Όπως θα έκανε κανείς.
Χρησιμοποίησαν οπτικά τσιμπιδάκια για να ταλαντώσουν μεμονωμένους ωτόλιθους σε ζωντανές προνύμφες zebrafish, ενώ παράλληλα κατέγραφαν τη δραστηριότητα του εγκεφάλου. Η διέγερση ενεργοποίησε περιοχές που σχετίζονται με την ακοή, κάτι που δείχνει ότι η μηχανική κίνηση γινόταν αντιληπτή από το ακουστικό κύκλωμα του ψαριού.
Αυτό σημαίνει ότι το ψάρι «ακούει» το φως; Η απάντηση δεν είναι τόσο απλή.
«Ο αρχαίος Κινέζος φιλόσοφος Zhuangzi είπε κάποτε: “Δεν είσαι το ψάρι, πώς ξέρεις τη χαρά του ψαριού;”» είπε ο Liu. «Ομοίως, δεν μπορούμε να επικοινωνήσουμε άμεσα με τα zebrafish για να επιβεβαιώσουμε αν “ακούν” συνειδητά το φως.»
Αυτό που μπορούσαν να διαπιστώσουν οι ερευνητές ήταν ότι τα νευρικά κέντρα που σχετίζονται με την ακοή έγιναν πολύ πιο δραστήρια κατά την οπτική διέγερση.
Παρατήρησαν επίσης ότι, όταν κινούσαν τον ωτόλιθο ενός ψαριού, η καρδιά του επιτάχυνε.
Σε ένα πείραμα, ο καρδιακός ρυθμός ηρεμίας, περίπου 2 χτύποι το δευτερόλεπτο, ανέβηκε σε περίπου 2,7 χτύπους το δευτερόλεπτο κατά τη διάρκεια της διέγερσης και στη συνέχεια επέστρεψε σταδιακά προς τα αρχικά επίπεδα όταν η διέγερση σταμάτησε.
Η στοχευμένη ταλάντωση του ωτόλιθου, διαπίστωσαν οι ερευνητές, μπορούσε να αυξήσει τον καρδιακό ρυθμό κατά περίπου 50%.
Και επειδή τα οπτικά τσιμπιδάκια επέτρεπαν στους ερευνητές να ελέγχουν με ακρίβεια τον τρόπο κίνησης του ωτόλιθου, μπορούσαν να κάνουν κάτι ακόμη πιο παράξενο: να αναπαράγουν μοτίβα που αντιστοιχούν στη μουσική. Αλλάζοντας το πλάτος, τη συχνότητα και τον χρονισμό των ταλαντώσεων, μπορούσαν να μιμηθούν ιδιότητες που αντιστοιχούν στην ένταση, το ύψος και τον ρυθμό.
Αυτές οι παρατηρήσεις οδήγησαν την έρευνα σε νέα κατεύθυνση.
«Αφού μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε το φως για να αναπαράγουμε μουσικά ερεθίσματα και να επηρεάσουμε τον καρδιακό ρυθμό, μας φάνηκε φυσικό να αναρωτηθούμε αν θα μπορούσαμε να εφαρμόσουμε αυτή την προσέγγιση και για τη διόρθωση μη φυσιολογικών καρδιακών ρυθμών», είπε ο Liu στο ScienceAlert.
«Αυτή η συλλογιστική μάς οδήγησε να κάνουμε πειράματα για την αντιμετώπιση αρρυθμιών που προκαλούνται από φάρμακα.»
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν φάρμακα για να προκαλέσουν τρεις διαφορετικούς τύπους μη φυσιολογικού καρδιακού ρυθμού σε προνύμφες zebrafish και στη συνέχεια εφάρμοσαν τη μουσική διέγερση που είχαν δημιουργήσει οπτικά.
Στα ψάρια με υπερβολικά αργό καρδιακό ρυθμό, η διέγερση έφερε τους παλμούς κοντά στο φυσιολογικό.
Στα ψάρια στα οποία οι άνω και κάτω κοιλότητες της καρδιάς είχαν χάσει τον συγχρονισμό τους, η φυσιολογική συντονισμένη λειτουργία αποκαταστάθηκε σε έξι από τα επτά ζώα.
Και στα ψάρια των οποίων οι χτύποι της καρδιάς διακόπτονταν από μη φυσιολογικές παύσεις, ο φυσιολογικός ρυθμός επανήλθε σε πέντε από τα επτά.
Ακόμη πιο εντυπωσιακό ήταν ότι σε ορισμένες περιπτώσεις η βελτίωση διατηρήθηκε και μετά το τέλος της διέγερσης.
«Το αποτέλεσμα που μας εξέπληξε περισσότερο ήταν ότι αυτή η προσέγγιση … μπορούσε όχι μόνο να ρυθμίσει τον καρδιακό ρυθμό, αλλά και να αποκαταστήσει αρρυθμίες που προκλήθηκαν από φάρμακα», εξήγησε ο Liu.
«Το γεγονός ότι ένα καθαρά οπτικό ερέθισμα, που δόθηκε μέσω της ακουστικής οδού, μπορούσε να επαναφέρει τον φυσιολογικό καρδιακό ρυθμό σε ένα μοντέλο ασθένειας ξεπέρασε τις αρχικές μας προσδοκίες και ίσως ανοίξει ενδιαφέρουσες δυνατότητες για μελλοντικές θεραπευτικές εφαρμογές.»
Οι δυνατότητες αυτές, φυσικά, απέχουν πολύ από την πρακτική εφαρμογή. Ο Liu περιγράφει τη μελέτη ως μια «πολύ προκαταρκτική απόδειξη αρχής». Το πώς ακριβώς τα νευρικά σήματα προκαλούν τις αλλαγές στον καρδιακό ρυθμό παραμένει ασαφές, ενώ δεν έχει ακόμη διερευνηθεί αν η προσέγγιση μπορεί να λειτουργήσει και σε μεγαλύτερα ζώα.
«Βλέπουμε αυτή την εργασία όχι ως οριστική απάντηση, αλλά ως πρόσκληση να εξερευνήσουμε ένα νέο πεδίο στη διασταύρωση της οπτικής, της ακουστικής νευροεπιστήμης και της καρδιαγγειακής φυσιολογίας», είπε στο ScienceAlert.
Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν στο Nature Communications.
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
