Neuronen im Gehirn kommunizieren über schnelle elektrische Impulse, die es dem Gehirn ermöglichen, Verhalten, Empfindungen, Gedanken und Gefühle zu koordinieren. Wissenschaftler, die diese elektrische Aktivität untersuchen wollen, messen diese Signale in der Regel mit Elektroden, die in das Gehirn eingeführt werden, eine Aufgabe, die bekanntermaßen schwierig und zeitaufwändig ist.
MIT-Forscher haben nun einen völlig anderen Ansatz zur Messung der elektrischen Aktivität im Gehirn entwickelt, von dem sie glauben, dass er sich als viel einfacher und informativer erweisen wird. Sie haben ein lichtempfindliches Protein entwickelt, das in Neuronenmembranen eingebettet werden kann, wo es ein fluoreszierendes Signal aussendet, das anzeigt, wie viel Spannung eine bestimmte Zelle erfährt. Auf diese Weise könnten Wissenschaftler untersuchen, wie sich die Neuronen Millisekunde für Millisekunde verhalten, während das Gehirn eine bestimmte Funktion ausführt.
„Wenn man eine Elektrode in das Gehirn einführt, ist das so, als würde man versuchen, ein Telefongespräch zu verstehen, indem man nur eine Person sprechen hört“, sagt Edward Boyden, außerordentlicher Professor für biologische Technik und Gehirn- und Kognitionswissenschaften am MIT. „Jetzt können wir die neuronale Aktivität vieler Zellen in einem neuronalen Schaltkreis aufzeichnen und hören, wie sie miteinander sprechen.“
Boyden, der auch Mitglied des Media Lab, des McGovern Institute for Brain Research und des Koch Institute for Integrative Cancer Research des MIT und HHMI-Simons Faculty Scholar ist, ist der Hauptautor der Studie, die in der Ausgabe vom 26. Februar in Nature Chemical Biology erscheint. Die Hauptautoren der Studie sind die MIT-Postdocs Kiryl Piatkevich und Erica Jung.
Bildgebende Spannung
Seit zwei Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach einer Möglichkeit, die elektrische Aktivität im Gehirn durch Bildgebung zu überwachen, anstatt sie mit Elektroden aufzuzeichnen. Fluoreszierende Moleküle zu finden, die sich für diese Art der Bildgebung eignen, war bisher schwierig; die Proteine müssen nicht nur sehr empfindlich auf Spannungsänderungen reagieren, sondern auch schnell und resistent gegen das Ausbleichen durch Licht sein.
Boyden und seine Kollegen haben eine neue Strategie entwickelt, um ein Molekül zu finden, das alle Punkte auf dieser Wunschliste erfüllt: Sie bauten einen Roboter, der Millionen von Proteinen, die durch einen Prozess namens gerichtete Proteinevolution erzeugt wurden, nach den gewünschten Eigenschaften durchsuchen konnte.
„Man nimmt ein Gen, erzeugt Millionen und Abermillionen von mutierten Genen und wählt schließlich die aus, die am besten funktionieren“, sagt Boyden. „
Die Forscher stellten 1,5 Millionen mutierte Versionen eines lichtempfindlichen Proteins namens QuasAr2 her, das zuvor von Adam Cohens Labor an der Harvard University entwickelt worden war. (Diese Arbeit basierte wiederum auf dem Molekül Arch, über das das Boyden-Labor 2010 berichtete). Die Forscher setzten jedes dieser Gene in Säugetierzellen ein (eine Mutante pro Zelle), züchteten die Zellen dann in Laborschalen und nahmen mit einem automatischen Mikroskop Bilder von den Zellen auf. Der Roboter war in der Lage, Zellen mit Proteinen zu identifizieren, die den Kriterien entsprachen, nach denen die Forscher suchten, wobei die wichtigsten die Lage des Proteins in der Zelle und seine Helligkeit waren.
Das Forscherteam wählte dann fünf der besten Kandidaten aus und führte eine weitere Mutationsrunde durch, wobei 8 Millionen neue Kandidaten entstanden. Der Roboter wählte die sieben besten von ihnen aus, die die Forscher dann auf einen Spitzenreiter eingrenzen konnten, den sie Archon1 nannten.
Mapping the brain
Ein Schlüsselmerkmal von Archon1 ist, dass sich das Archon1-Protein, sobald das Gen in eine Zelle eingebracht wurde, in die Zellmembran einbettet, was der beste Ort ist, um eine genaue Messung der Zellspannung zu erhalten.
Mit Hilfe dieses Proteins konnten die Forscher die elektrische Aktivität in Gehirngewebe von Mäusen sowie in Gehirnzellen von Zebrafischlarven und dem Wurm Caenorhabditis elegans messen. Die beiden letztgenannten Organismen sind durchsichtig, so dass es einfach ist, sie mit Licht zu bestrahlen und die daraus resultierende Fluoreszenz abzubilden. Wenn die Zellen einer bestimmten Wellenlänge von rötlich-orangem Licht ausgesetzt werden, sendet der Proteinsensor eine längere Wellenlänge von rotem Licht aus, und die Helligkeit des Lichts entspricht der Spannung dieser Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt.
Die Forscher zeigten auch, dass Archon1 zusammen mit lichtempfindlichen Proteinen verwendet werden kann, die üblicherweise verwendet werden, um die Aktivität von Neuronen zum Schweigen zu bringen oder zu stimulieren – diese werden als optogenetische Proteine bezeichnet -, solange diese Proteine auf andere Farben als Rot reagieren. In Experimenten mit C. elegans haben die Forscher gezeigt, dass sie ein Neuron mit blauem Licht stimulieren und dann Archon1 verwenden können, um die daraus resultierende Wirkung in Neuronen zu messen, die Input von dieser Zelle erhalten.
Cohen, der Harvard-Professor, der den Vorgänger von Archon1 entwickelt hat, sagt, dass das neue MIT-Protein die Wissenschaftler dem Ziel näher bringt, elektrische Aktivität im Millisekundenbereich in lebenden Gehirnen abzubilden.
„Bisher war es sehr arbeitsintensiv, fluoreszierende Spannungsindikatoren zu entwickeln, weil jede Mutante einzeln geklont und dann durch eine langsame, manuelle Patch-Clamp-Elektrophysiologie-Messung getestet werden musste. Das Boyden-Labor hat einen sehr cleveren Hochdurchsatz-Screening-Ansatz für dieses Problem entwickelt“, sagt Cohen, der an dieser Studie nicht beteiligt war. „Ihr neuer Reporter sieht in Fischen und Würmern und in Gehirnschnitten wirklich gut aus. Ich bin gespannt darauf, ihn in meinem Labor auszuprobieren.“
Die Forscher arbeiten nun daran, diese Technologie zur Messung der Hirnaktivität von Mäusen bei der Ausführung verschiedener Aufgaben einzusetzen, was es ihnen nach Ansicht von Boyden ermöglichen sollte, neuronale Schaltkreise abzubilden und herauszufinden, wie sie bestimmte Verhaltensweisen hervorbringen.
„Wir werden in der Lage sein, eine neuronale Berechnung zu beobachten“, sagt er. „In den nächsten fünf Jahren oder so werden wir versuchen, einige kleine Gehirnschaltungen vollständig zu lösen.
Die Forschung wurde durch das HHMI-Simons Faculty Scholars Program, den IET Harvey Prize, das MIT Media Lab, den New York Stem Cell Foundation Robertson Award, das Open Philanthropy Project, John Doerr, das Human Frontier Science Program, das Verteidigungsministerium, die National Science Foundation und die National Institutes of Health, einschließlich eines NIH Director’s Pioneer Award, finanziert.