Az agy idegsejtjei gyors elektromos impulzusokon keresztül kommunikálnak, amelyek lehetővé teszik az agy számára a viselkedés, az érzékelés, a gondolatok és az érzelmek koordinálását. Azok a tudósok, akik ezt az elektromos aktivitást akarják tanulmányozni, általában az agyba helyezett elektródákkal mérik ezeket a jeleket, ami közismerten nehéz és időigényes feladat.
A MIT kutatói most egy teljesen más megközelítéssel álltak elő az agy elektromos aktivitásának mérésére, ami szerintük sokkal egyszerűbbnek és informatívabbnak bizonyul majd. Kifejlesztettek egy fényérzékeny fehérjét, amelyet be lehet ágyazni az idegsejtek membránjába, ahol fluoreszcens jelet bocsát ki, amely jelzi, hogy az adott sejt mekkora feszültséget tapasztal. Ez lehetővé teheti a tudósok számára, hogy ezredmásodpercről ezredmásodpercre tanulmányozzák, hogyan viselkednek a neuronok, miközben az agy egy adott funkciót végez.
“Ha elektródát helyezünk az agyba, az olyan, mintha egy telefonbeszélgetést próbálnánk megérteni úgy, hogy csak egy személyt hallunk beszélni” – mondja Edward Boyden, az MIT biológiai mérnöki és agy- és kognitív tudományok docense. “Most sok sejt idegi aktivitását rögzíthetjük egy idegi áramkörben, és hallhatjuk őket, amint beszélgetnek egymással.”
Boyden, aki az MIT Media Lab, a McGovern Institute for Brain Research és a Koch Institute for Integrative Cancer Research tagja, valamint HHMI-Simons Faculty Scholar, a tanulmány vezető szerzője, amely a Nature Chemical Biology február 26-i számában jelent meg. A tanulmány vezető szerzői az MIT posztdoktorai, Kiryl Piatkevich és Erica Jung.
Feszültség képalkotása
Az elmúlt két évtizedben a tudósok keresték a módját annak, hogy az agy elektromos aktivitását elektródákkal történő rögzítés helyett képalkotással kövessék nyomon. Az ilyen típusú képalkotásra használható fluoreszcens molekulák megtalálása nehézségekbe ütközött; a fehérjéknek nemcsak nagyon érzékenynek kell lenniük a feszültség változásaira, hanem gyorsan is kell reagálniuk, és ellen kell állniuk a fotobleachingnek (a fény hatására bekövetkező elhalványulásnak).
Boyden és munkatársai új stratégiával álltak elő egy olyan molekula megtalálására, amely mindent teljesít ezen a kívánságlistán:
“Veszünk egy gént, majd millió és millió mutáns gént készítünk, és végül kiválasztjuk azokat, amelyek a legjobban működnek” – mondja Boyden. “Így működik az evolúció a természetben, de most a laboratóriumban robotokkal végezzük, hogy kiválaszthassuk a kívánt tulajdonságokkal rendelkező géneket.”
A kutatók 1,5 millió mutáns változatot készítettek a QuasAr2 nevű fényérzékeny fehérjéből, amelyet korábban Adam Cohen laboratóriuma a Harvard Egyetemen fejlesztett ki. (Ez a munka viszont az Arch nevű molekulán alapult, amelyről a Boyden-laboratórium 2010-ben számolt be). A kutatók az említett gének mindegyikét emlőssejtekbe ültették (sejtenként egy mutáns), majd a sejteket laboratóriumi edényekben növesztették, és egy automatizált mikroszkóppal lefényképezték a sejteket. A robot képes volt azonosítani azokat a sejteket, amelyekben olyan fehérjék voltak, amelyek megfeleltek a kutatók által keresett kritériumoknak, amelyek közül a legfontosabb a fehérje elhelyezkedése a sejtben és fényessége volt.
A kutatócsoport ezután kiválasztott ötöt a legjobb jelöltek közül, és újabb mutációs kört végzett, 8 millió új jelöltet generálva. Ezek közül a robot kiválasztotta a hét legjobbat, amelyeket aztán a kutatók leszűkítettek egy csúcstartóra, amelyet Archon1-nek neveztek el.
Az agy feltérképezése
Az Archon1 legfontosabb jellemzője, hogy amint a gén bejut a sejtbe, az Archon1 fehérje beágyazódik a sejtmembránba, ami a legjobb hely a sejt feszültségének pontos mérésére.
Ezt a fehérjét használva a kutatók képesek voltak elektromos aktivitást mérni egér agyszövetben, valamint zebrahal-lárvák és a Caenorhabditis elegans féreg agysejtjeiben. Ez utóbbi két organizmus átlátszó, így könnyű őket fénynek kitenni, és az így keletkező fluoreszcenciát leképezni. Amikor a sejteket egy bizonyos hullámhosszú vöröses-narancsos fénynek teszik ki, a fehérjeérzékelő egy hosszabb hullámhosszú vörös fényt bocsát ki, és a fény fényerősség megfelel az adott sejt adott pillanatban fennálló feszültségének.
A kutatók azt is kimutatták, hogy az Archon1 olyan fényérzékeny fehérjékkel együtt is használható, amelyeket általában az idegsejtek aktivitásának elnémítására vagy stimulálására használnak – ezeket optogenetikai fehérjéknek nevezik -, amennyiben ezek a fehérjék nem a vörös színre reagálnak. A kutatók a C. elegans fajjal végzett kísérleteikben bebizonyították, hogy képesek egy neuront kék fénnyel stimulálni, majd az Archon1 segítségével mérni az ebből eredő hatást azokban a neuronokban, amelyek az adott sejtből kapnak bemenetet.
Cohen, az Archon1 elődjét kifejlesztő harvardi professzor szerint az új MIT-fehérje közelebb viszi a tudósokat ahhoz a célhoz, hogy élő agyakban milliszekundumos időskálájú elektromos aktivitást képezzenek le.
“Hagyományosan gyötrelmesen munkaigényes volt a fluoreszcens feszültségjelzők kifejlesztése, mert minden mutánst egyenként kellett klónozni, majd lassú, kézi patch-clamp elektrofiziológiai méréssel tesztelni. A Boyden-labor egy nagyon okos, nagy áteresztőképességű szűrési megközelítést dolgozott ki erre a problémára” – mondja Cohen, aki nem vett részt ebben a tanulmányban. “Az új riporterük nagyon jól néz ki halakban és férgekben, valamint agyszeletekben. Alig várom, hogy kipróbálhassam a laboratóriumomban.”
A kutatók most azon dolgoznak, hogy ezt a technológiát egerek agyi aktivitásának mérésére használják, miközben azok különböző feladatokat hajtanak végre, ami Boyden szerint lehetővé teszi majd számukra, hogy feltérképezzék az idegi áramköröket, és felfedezzék, hogyan hoznak létre bizonyos viselkedéseket.
“Képesek leszünk megfigyelni egy idegi számítást” – mondja. “A következő körülbelül öt évben megpróbálunk néhány kisebb agyi áramkört teljesen megoldani. Az ilyen eredmények egy lépést tehetnek afelé, hogy megértsük, mi is valójában egy gondolat vagy egy érzés.”
A kutatást a HHMI-Simons Faculty Scholars Program, az IET Harvey Prize, az MIT Media Lab, a New York Stem Cell Foundation Robertson Award, az Open Philanthropy Project, John Doerr, a Human Frontier Science Program, a Védelmi Minisztérium, a National Science Foundation és a National Institutes of Health finanszírozta, beleértve az NIH Director’s Pioneer Awardot.