Сјајни неурони омогућавају научницима да гледају како мозак ради у реалном времену

„Почели смо да размишљамо: ‘Шта ако бисмо могли да осветлимо мозак изнутра?'“, рекао је Кристофер Мур, професор науке о мозгу на Универзитету Браун. „Сјајно светло на мозак се користи за мерење активности – обично кроз процес који се зове флуоресценција – или за покретање активности у ћелијама како би се тестирала улога коју оне играју. Али пуцање ласера ​​на мозак има лоше стране када су у питању експерименти, често захтевајући фенси хардвер и нижу стопу успеха. Схватили смо да бисмо уместо тога могли да користимо биолуминисценцију.

Изградња центра за биолуминисценцију

Та идеја је помогла да се покрене Биолуминисценцијски центар на Институту Карни за науку о мозгу на Универзитету Браун 2017. Подржан великим грантом Националне научне фондације, центар је окупио сараднике укључујући Мура (сарадницу директора Царнеи института), Диане Липсцомбе (директорицу института), Уте Хоцхгесцхвендер универзитета у Калифорнији (на Централном универзитету у Сан Сану), Дијего).

Тим је кренуо да креира и дели нове алате за неуронауку дајући ћелијама у нервном систему способност да производе светлост и реагују на њу.

Нова алатка за посматрање сјаја неурона

У студији објављеној у Природне методеистраживачи су описали нови биолуминисцентни алат за снимање који су развили. Познат као Ца2+ БиоЛуминесценце Ацтивити Монитор – или скраћено „ЦаБЛАМ“ – алат може да ухвати активност унутар појединачних ћелија, па чак и мањих ћелијских региона великом брзином. Ефикасно ради код мишева и зебрица, подржава снимке који трају сатима и не захтева никакав спољни извор светлости.

Мур је рекао да је Сханер, ванредни професор неуронауке и фармакологије на УЦ Сан Диего, предводио напоре да дизајнира молекуларни уређај иза ЦаБЛАМ-а. „ЦаБЛАМ је заиста невероватан молекул који је Натан створио“, рекао је Мур. „Оправдаје своје име.

Зашто је мерење мождане активности важно

Праћење активности живих можданих ћелија кључно је за разумевање како организми функционишу, објаснио је Мур. Данас се најчешћи начин да се то уради ослања на генетски кодиране индикаторе калцијум-јона засноване на флуоресценцији.

„На начин на који флуоресценција функционише, ви сијате светлосним сноповима на нешто и добијате другачију таласну дужину светлосних снопова назад“, рекао је Мур, који води Биолуминисценцијски центар. „Тај процес можете учинити осетљивим на калцијум, тако да можете добити протеине који ће померити другу количину или другу боју светлости, у зависности од тога да ли је калцијум присутан или не, са светлим сигналом.

Иако се флуоресцентне технике широко користе, Мур је рекао да имају велике недостатке. Продужено излагање интензивној спољашњој светлости може оштетити мождане ћелије. Временом, то осветљење такође може да промени саме флуоресцентне молекуле тако да више не емитују довољно светлости, што је проблем познат као фотобељење који ограничава колико дуго експерименти могу да трају. Поред тога, за испоруку светлости у мозак потребна је опрема попут ласера ​​и оптичких влакана, што експерименте чини инвазивнијим.

Зашто Биолуминисценција нуди јасне предности

Биолуминисцентно снимање функционише другачије. Светлост се генерише када ензим разбије одређени мали молекул, што значи да није потребна јака спољашња светлост. Као резултат, нема фотоизбељивања и фототоксичног оштећења, што чини приступ безбеднијим за деликатно мождано ткиво.

Такође производи чистије слике.

„Ткиво мозга већ слабо сија само по себи када га погоди спољашња светлост, стварајући позадинску буку“, рекао је Сханер. „Поврх тога, мождано ткиво распршује светлост, замагљујући и светлост која улази и сигнал који се враћа. То чини слике затамњенијим, нејаснијим и теже уочљивим дубоко у мозгу. Мозак природно не производи биолуминисценцију, тако да када пројектовани неурони светле сами по себи, истичу се на тамној позадини без скоро никаквих сметњи. А са светлошћу мозга делујете само као светло: ви делујете само на светлости у глави: ви делујете на светлости у мозгу, када се природно светле. излази, што је много лакше видети чак и када је расуто кроз ткиво.“

Мур је приметио да су научници деценијама расправљали о коришћењу биолуминисценције за проучавање мождане активности, али до сада нико није успео да учини светло довољно светлим за детаљно снимање.

Увиди који су учинили ЦаБЛАМ могућим

„Тренутни лист је узбудљив из много разлога“, рекао је Мур. „Ови нови молекули су по први пут пружили могућност да се појединачне ћелије виде независно активиране, скоро као да користите веома посебну, осетљиву филмску камеру за снимање мождане активности док се то дешава.

Користећи ЦаБЛАМ, истраживачи могу да посматрају како се један неурон понаша унутар живе животиње, укључујући активност у различитим деловима ћелије. У студији, тим је пријавио континуирану сесију снимања од пет сати, нешто што не би било могуће са традиционалним методама заснованим на флуоресценцији.

„За проучавање сложеног понашања или учења, биолуминисценција омогућава да се ухвати цео процес, са мање укљученог хардвера“, рекао је Мур.

Изван снимања мозга

Пројекат ЦаБЛАМ је део већег напора у центру да се изнађу нови начини за посматрање и контролу активности мозга. Један експеримент укључује живу ћелију која шаље бљесак светлости који оближња ћелија може да детектује, омогућавајући неуронима да комуницирају користећи само светло (оно што Мур назива, „поново спајање мозга светлошћу“). Тим такође развија технике које користе калцијум за регулисање ћелијске активности.

Како су ови пројекти еволуирали, истраживачи су схватили да сви зависе од светлијих и ефикаснијих сензора за калцијум. Та потреба је постала централни фокус рада чворишта, рекао је Мур.

„Уверили смо се да као центар који покушава да гурне терен напред, створимо неопходне компоненте“, рекао је Мур.

Алат са ширим потенцијалом

Мур верује да би се ЦаБЛАМ на крају могао применити изван неуронауке за проучавање активности у другим деловима тела.

„Овај напредак омогућава читав низ опција за увид у то како мозак и тело функционишу“, рекао је Мур, „укључујући праћење активности у више делова тела одједном“.

Додао је да достигнуће истиче снагу заједничког истраживања. Најмање 34 научника су допринела пројекту, представљајући партнере Биолуминесценце Хуб-а, као што су Универзитет Браун, Универзитет Централ Мицхиган, УЦ Сан Диего, Универзитет Калифорније у Лос Анђелесу и Универзитет у Њујорку. Рад је подржан средствима Националног института за здравље, Националне научне фондације и Породичне фондације Паул Г. Аллен.