Aivojen hermosolut kommunikoivat nopeiden sähköisten impulssien välityksellä, joiden avulla aivot koordinoivat käyttäytymistä, tuntemuksia, ajatuksia ja tunteita. Tutkijat, jotka haluavat tutkia tätä sähköistä toimintaa, mittaavat yleensä näitä signaaleja aivoihin asetettavilla elektrodeilla, mikä on tunnetusti vaikea ja aikaa vievä tehtävä.
MIT:n tutkijat ovat nyt keksineet täysin erilaisen lähestymistavan aivojen sähköisen toiminnan mittaamiseen, jonka he uskovat osoittautuvan paljon helpommaksi ja informatiivisemmaksi. He ovat kehittäneet valoherkän proteiinin, joka voidaan upottaa hermosolukalvoihin, joissa se lähettää fluoresoivaa signaalia, joka osoittaa, kuinka suuri jännite tietyssä solussa on. Näin tutkijat voisivat tutkia, miten neuronit käyttäytyvät millisekunti millisekunnilta, kun aivot suorittavat tiettyä toimintoa.
”Jos aivoihin laitetaan elektrodi, se on kuin yrittäisi ymmärtää puhelinkeskustelua kuuntelemalla vain yhden henkilön puhetta”, sanoo MIT:n biologisen insinööritieteiden sekä aivo- ja kognitiotieteiden apulaisprofessori Edward Boyden. ”Nyt voimme tallentaa hermopiirin monien solujen neuraalista aktiivisuutta ja kuulla, kun ne puhuvat keskenään.”
Boyden, joka on myös MIT:n Media Labin, McGovern Institute for Brain Researchin ja Koch Institute for Integrative Cancer Researchin jäsen sekä HHMI-Simons Faculty Scholar, on vanhempi kirjoittaja tutkimuksessa, joka ilmestyy Nature Chemical Biology -lehden 26. helmikuuta ilmestyvässä numerossa. Artikkelin pääkirjoittajat ovat MIT:n postdocit Kiryl Piatkevich ja Erica Jung.
Jännitteen kuvantaminen
Viimeisten kahden vuosikymmenen ajan tutkijat ovat etsineet keinoa seurata aivojen sähköistä toimintaa kuvantamalla sen sijaan, että ne rekisteröitaisiin elektrodien avulla. Tällaiseen kuvantamiseen soveltuvien fluoresoivien molekyylien löytäminen on ollut vaikeaa; sen lisäksi, että proteiinien on oltava hyvin herkkiä jännitteen muutoksille, niiden on myös reagoitava nopeasti ja kestettävä fotobleachingia (valolle altistumisen aiheuttamaa haalistumista).
Boyden kollegoineen keksi uuden strategian sellaisen molekyylin löytämiseksi, joka täyttäisi kaiken tämän toivelistan: He rakensivat robotin, joka pystyi seulomaan miljoonia proteiineja, jotka oli tuotettu suunnatuksi proteiinievoluutioksi kutsutun prosessin avulla, haluttujen ominaisuuksien löytämiseksi.
”Otetaan geeni, sitten tehdään miljoonia ja taas miljoonia mutanttigeenejä, ja lopulta valitaan ne, jotka toimivat parhaiten”, Boyden sanoo. ”Näin evoluutio toimii luonnossa, mutta nyt teemme sen laboratoriossa robottien avulla, jotta voimme valita geenit, joilla on haluamamme ominaisuudet.”
Tutkijat tekivät 1,5 miljoonaa mutatoitua versiota QuasAr2-nimisestä valoherkästä proteiinista, jonka Adam Cohenin laboratorio Harvardin yliopistossa oli aiemmin suunnitellut. (Tuo työ puolestaan perustui molekyyliin Arch, josta Boydenin laboratorio raportoi vuonna 2010). Tutkijat laittoivat kukin näistä geeneistä nisäkässoluihin (yksi mutantti per solu), kasvattivat soluja laboratorioastioissa ja käyttivät automaattista mikroskooppia ottaakseen kuvia soluista. Robotti pystyi tunnistamaan soluja, joissa oli proteiineja, jotka täyttivät tutkijoiden etsimät kriteerit, joista tärkeimpiä olivat proteiinin sijainti solussa ja sen kirkkaus.
Tutkijaryhmä valitsi sitten viisi parasta ehdokasta ja teki toisen mutaatiokierroksen, jolloin syntyi 8 miljoonaa uutta ehdokasta. Robotti poimi niistä seitsemän parasta, jotka tutkijat sitten rajasivat yhteen huippusuorittajaan, jonka he nimesivät Archon1:ksi.
Aivojen kartoittaminen
Archon1:n keskeinen piirre on se, että kun geeni on toimitettu soluun, Archon1-proteiini uppoutuu solukalvoon, joka on paras paikka solun jännitteen tarkan mittauksen saamiseksi.
Tutkijat pystyivät tämän proteiinin avulla mittaamaan sähköistä aktiivisuutta hiiren aivokudoksessa sekä seeprakalan toukkien ja mato Caenorhabditis elegansin aivosoluissa. Kaksi jälkimmäistä organismia ovat läpinäkyviä, joten ne on helppo altistaa valolle ja kuvata syntyvää fluoresenssia. Kun solut altistetaan tietylle punertavan oranssinpunaisen valon aallonpituudelle, proteiinisensori lähettää pidemmän aallonpituuden punaista valoa, ja valon kirkkaus vastaa kyseisen solun jännitettä tietyllä hetkellä.
Tutkijat osoittivat myös, että Archon1:tä voidaan käyttää yhdessä valolle herkkien valoproteiinien kanssa, joita käytetään yleisesti hermosolujen aktiivisuuden vaimentamiseen tai stimuloimiseen – näitä kutsutaan optogeneettisiksi valoproteiineiksi – kunhan nämä proteiinit reagoivat muihin väreihin kuin punaiseen. C. elegansilla tehdyissä kokeissa tutkijat osoittivat, että he voivat stimuloida yhtä hermosolua sinisellä valolla ja mitata Archon1:n avulla tuloksena syntyvää vaikutusta neuroneissa, jotka saavat syötteen kyseiseltä solulta.
Cohen, Archon1:n edeltäjän kehittänyt Harvardin professori, sanoo, että uusi MIT:n proteiini tuo tutkijat lähemmäs päämäärää, joka on millisekunnin mittaisen sähköisen aktiivisuuden kuvantaminen elävissä aivoissa.
”Perinteisesti fluoresoivien jänniteindikaattoreiden kehittäminen on ollut sietämättömän työlästä, koska jokainen mutantti on pitänyt kloonata erikseen ja sitten testata hitaalla, manuaalisella patch-clamp-elektrofysiologisella mittauksella. Boydenin laboratorio kehitti tähän ongelmaan erittäin fiksun korkean läpimenon seulontamenetelmän”, sanoo Cohen, joka ei ollut mukana tässä tutkimuksessa. ”Heidän uusi reportterinsa näyttää todella hyvältä kaloissa, matoissa ja aivoviipaleissa. Olen innokas kokeilemaan sitä omassa laboratoriossani.”
Tutkijat pyrkivät nyt käyttämään tätä tekniikkaa mittaamaan hiirten aivotoimintaa niiden suorittaessa erilaisia tehtäviä, minkä Boyden uskoo mahdollistavan hermopiirien kartoittamisen ja sen selvittämisen, miten ne tuottavat tietynlaista käyttäytymistä.
”Pystymme seuraamaan, miten hermostollinen laskenta tapahtuu”, hän sanoo. ”Noin viiden seuraavan vuoden aikana yritämme ratkaista joitakin pieniä aivopiirejä kokonaan. Tällaiset tulokset saattavat ottaa askeleen kohti sen ymmärtämistä, mitä ajatus tai tunne oikeastaan on.”
Tutkimusta ovat rahoittaneet 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, puolustusministeriö, National Science Foundation ja National Institutes of Health, mukaan luettuna NIH:n Director’s Pioneer Award.