Neurony v mozku komunikují prostřednictvím rychlých elektrických impulsů, které mozku umožňují koordinovat chování, pocity, myšlenky a emoce. Vědci, kteří chtějí tuto elektrickou aktivitu studovat, obvykle měří tyto signály pomocí elektrod zavedených do mozku, což je notoricky známý obtížný a časově náročný úkol.
Výzkumníci z MIT nyní přišli se zcela jiným přístupem k měření elektrické aktivity v mozku, který se podle nich ukáže jako mnohem jednodušší a informativnější. Vyvinuli protein citlivý na světlo, který lze zabudovat do membrán neuronů, kde vyzařuje fluorescenční signál, který ukazuje, jaké napětí daná buňka zažívá. To by mohlo vědcům umožnit studovat, jak se neurony chovají milisekundu po milisekundě, když mozek vykonává určitou funkci.
„Pokud umístíte elektrodu do mozku, je to jako snažit se porozumět telefonnímu rozhovoru tím, že slyšíte mluvit pouze jednoho člověka,“ říká Edward Boyden, docent biologického inženýrství a mozkových a kognitivních věd na MIT. „Nyní můžeme zaznamenat nervovou aktivitu mnoha buněk v nervovém obvodu a slyšet je, jak spolu hovoří.“
Boyden, který je také členem mediální laboratoře MIT, McGovernova institutu pro výzkum mozku a Kochova institutu pro integrovaný výzkum rakoviny a fakultním stipendistou HHMI-Simons, je hlavním autorem studie, která vyšla 26. února v časopise Nature Chemical Biology. Vedoucími autory článku jsou postdoktorandi MIT Kiryl Piatkevich a Erica Jung.
Zobrazování napětí
Už dvě desetiletí vědci hledají způsob, jak sledovat elektrickou aktivitu v mozku pomocí zobrazování namísto záznamu pomocí elektrod. Najít fluorescenční molekuly, které by se daly použít pro tento druh zobrazování, bylo obtížné; proteiny musí být nejen velmi citlivé na změny napětí, ale musí také rychle reagovat a být odolné vůči fotobleachingu (vyblednutí, které může být způsobeno působením světla).
Boyden a jeho kolegové přišli s novou strategií, jak najít molekulu, která by splňovala vše z tohoto seznamu přání:
„Vezmete gen, pak vytvoříte miliony a miliony mutantních genů a nakonec vyberete ty, které fungují nejlépe,“ říká Boyden. „Takto funguje evoluce v přírodě, ale nyní to děláme v laboratoři pomocí robotů, abychom mohli vybrat geny s vlastnostmi, které chceme.“
Výzkumníci vytvořili 1,5 milionu mutovaných verzí proteinu citlivého na světlo s názvem QuasAr2, který byl dříve vytvořen v laboratoři Adama Cohena na Harvardově univerzitě. (Tato práce zase vycházela z molekuly Arch, o níž Boydenova laboratoř informovala v roce 2010). Výzkumníci vložili každý z těchto genů do savčích buněk (jeden mutant na buňku), poté je pěstovali v laboratorních miskách a pomocí automatického mikroskopu pořizovali snímky buněk. Robot dokázal identifikovat buňky s proteiny, které splňovaly kritéria, jež vědci hledali, přičemž nejdůležitějším bylo umístění proteinu v buňce a jeho jas.
Výzkumný tým pak vybral pět nejlepších kandidátů a provedl další kolo mutací, čímž vzniklo 8 milionů nových kandidátů. Robot vybral sedm nejlepších z nich, které pak vědci zúžili na jednoho nejlepšího, kterého nazvali Archon1.
Mapování mozku
Klíčovou vlastností Archon1 je, že jakmile je gen dodán do buňky, protein Archon1 se zabuduje do buněčné membrány, což je nejlepší místo pro získání přesného měření napětí buňky.
Pomocí tohoto proteinu byli vědci schopni měřit elektrickou aktivitu v mozkové tkáni myší a také v mozkových buňkách larev zebřiček a červa Caenorhabditis elegans. Poslední dva jmenované organismy jsou průhledné, takže je lze snadno vystavit světlu a zobrazit výslednou fluorescenci. Když jsou buňky vystaveny určité vlnové délce červenooranžového světla, bílkovinný senzor vyzařuje delší vlnovou délku červeného světla a jas světla odpovídá napětí dané buňky v daném časovém okamžiku.
Výzkumníci také ukázali, že Archon1 lze použít ve spojení s bílkovinami citlivými na světlo, které se běžně používají k umlčení nebo stimulaci aktivity neuronů – jde o tzv. optogenetické bílkoviny – pokud tyto bílkoviny reagují na jiné barvy než červenou. Při pokusech s C. elegans vědci prokázali, že mohou stimulovat jeden neuron pomocí modrého světla a poté použít Archon1 k měření výsledného efektu u neuronů, které dostávají vstup z této buňky.
Cohen, harvardský profesor, který vyvinul předchůdce Archon1, říká, že nový protein MIT přibližuje vědce k cíli zobrazování elektrické aktivity v živých mozcích v řádu milisekund.
„Tradičně bylo konstruování fluorescenčních indikátorů napětí nesnesitelně pracné, protože každý mutant musel být klonován zvlášť a poté testován pomocí pomalého manuálního elektrofyziologického měření pomocí patch-clampů. Boydenova laboratoř vyvinula velmi chytrý přístup k tomuto problému pomocí vysoce výkonného screeningu,“ říká Cohen, který se na této studii nepodílel. „Jejich nový reportér vypadá opravdu skvěle v rybách a červech i v mozkových řezech. Už se nemohu dočkat, až ho vyzkouším ve své laboratoři.“
Výzkumníci nyní pracují na využití této technologie k měření mozkové aktivity u myší při plnění různých úkolů, což by jim podle Boydena mělo umožnit mapovat nervové obvody a zjistit, jak vytvářejí specifické chování.
„Budeme moci sledovat, jak probíhá nervový výpočet,“ říká. „Během příštích zhruba pěti let se pokusíme některé malé mozkové obvody zcela vyřešit. Takové výsledky by mohly učinit krok k pochopení toho, co je to vlastně myšlenka nebo pocit.“
Výzkum byl financován v rámci HHMI-Simons Faculty Scholars Program, IET Harvey Prize, MIT Media Lab, New York Stem Cell Foundation Robertson Award, Open Philanthropy Project, John Doerr, Human Frontier Science Program, Ministerstvo obrany, National Science Foundation a National Institutes of Health, včetně ocenění NIH Director’s Pioneer Award.