Neuronen in de hersenen communiceren via snelle elektrische impulsen die de hersenen in staat stellen gedrag, gevoel, gedachten en emotie te coördineren. Wetenschappers die deze elektrische activiteit willen bestuderen, meten deze signalen gewoonlijk met elektroden die in de hersenen worden ingebracht, een taak die notoir moeilijk en tijdrovend is.
MIT-onderzoekers hebben nu een heel andere aanpak bedacht om de elektrische activiteit in de hersenen te meten, waarvan zij denken dat die veel gemakkelijker en informatiever zal blijken te zijn. Zij hebben een lichtgevoelig eiwit ontwikkeld dat in de membranen van neuronen kan worden ingebed, waar het een fluorescerend signaal afgeeft dat aangeeft hoeveel spanning een bepaalde cel ondervindt. Dit zou wetenschappers in staat kunnen stellen te bestuderen hoe neuronen zich milliseconde voor milliseconde gedragen, terwijl de hersenen een bepaalde functie uitvoeren.
“Als je een elektrode in de hersenen plaatst, is het alsof je een telefoongesprek probeert te begrijpen door slechts één persoon te horen praten,” zegt Edward Boyden, een universitair hoofddocent biologische engineering en hersen- en cognitieve wetenschappen aan het MIT. “Nu kunnen we de neurale activiteit van vele cellen in een neuraal circuit registreren en ze horen terwijl ze met elkaar praten.”
Boyden, die ook lid is van MIT’s Media Lab, McGovern Institute for Brain Research, en Koch Institute for Integrative Cancer Research, en een HHMI-Simons Faculty Scholar, is de senior auteur van de studie, die verschijnt in het 26 februari nummer van Nature Chemical Biology. De hoofdauteurs zijn MIT postdocs Kiryl Piatkevich en Erica Jung.
Imaging voltage
In de afgelopen twee decennia hebben wetenschappers gezocht naar een manier om elektrische activiteit in de hersenen te monitoren door middel van beeldvorming in plaats van opname met elektroden. Het vinden van fluorescerende moleculen die voor dit soort beeldvorming kunnen worden gebruikt is moeilijk geweest; niet alleen moeten de eiwitten zeer gevoelig zijn voor spanningsveranderingen, ze moeten ook snel reageren en bestand zijn tegen fotobleaching (verbleking die kan worden veroorzaakt door blootstelling aan licht).
Boyden en zijn collega’s kwamen met een nieuwe strategie voor het vinden van een molecuul dat aan alles op dit verlanglijstje zou voldoen: Ze bouwden een robot die miljoenen eiwitten, gegenereerd via een proces dat gerichte eiwitevolutie wordt genoemd, kon screenen op de eigenschappen die ze wilden.
“Je neemt een gen, dan maak je miljoenen en miljoenen gemuteerde genen, en uiteindelijk kies je degenen die het beste werken”, zegt Boyden. “Dat is de manier waarop evolutie in de natuur werkt, maar nu doen we het in het lab met robots, zodat we de genen kunnen uitkiezen met de eigenschappen die we willen.”
De onderzoekers maakten 1,5 miljoen gemuteerde versies van een lichtgevoelig eiwit genaamd QuasAr2, dat eerder was gemanipuleerd door het lab van Adam Cohen aan de Harvard University. (Dat werk was op zijn beurt gebaseerd op het molecuul Arch, waarover het Boyden-lab in 2010 rapporteerde). De onderzoekers stopten elk van deze genen in zoogdiercellen (één mutant per cel), lieten de cellen vervolgens groeien in laboratoriumschaaltjes en gebruikten een geautomatiseerde microscoop om foto’s van de cellen te nemen. De robot was in staat cellen te identificeren met eiwitten die voldeden aan de criteria die de onderzoekers zochten, waarvan de belangrijkste waren de locatie van het eiwit binnen de cel en de helderheid ervan.
Het onderzoeksteam selecteerde vervolgens vijf van de beste kandidaten en deed nog een mutatieronde, waarbij 8 miljoen nieuwe kandidaten werden gegenereerd. De robot koos de zeven beste daarvan uit, die de onderzoekers vervolgens beperkten tot één topper, die zij Archon1 noemden.
Hersenen in kaart brengen
Een belangrijke eigenschap van Archon1 is dat zodra het gen in een cel is afgeleverd, het Archon1-eiwit zich in het celmembraan nestelt, wat de beste plaats is om een nauwkeurige meting van de spanning van een cel te verkrijgen.
Met behulp van dit eiwit konden de onderzoekers de elektrische activiteit meten in hersenweefsel van muizen, maar ook in hersencellen van zebravislarven en de worm Caenorhabditis elegans. De laatste twee organismen zijn doorzichtig, zodat het gemakkelijk is ze bloot te stellen aan licht en de resulterende fluorescentie af te beelden. Wanneer de cellen worden blootgesteld aan een bepaalde golflengte van rood-oranje licht, zendt de eiwitsensor een langere golflengte van rood licht uit, en de helderheid van het licht komt overeen met de spanning van die cel op een bepaald moment in de tijd.
De onderzoekers toonden ook aan dat Archon1 kan worden gebruikt in combinatie met lichtgevoelige eiwitten die gewoonlijk worden gebruikt om neuronactiviteit tot zwijgen te brengen of te stimuleren – deze staan bekend als optogenetische eiwitten – zolang die eiwitten reageren op andere kleuren dan rood. In experimenten met C. elegans toonden de onderzoekers aan dat ze één neuron konden stimuleren met blauw licht en vervolgens Archon1 konden gebruiken om het resulterende effect te meten in neuronen die input ontvangen van die cel.
Cohen, de Harvard-professor die de voorloper van Archon1 ontwikkelde, zegt dat het nieuwe MIT-eiwit wetenschappers dichter bij het doel brengt om elektrische activiteit op milliseconde-tijdschaal in levende hersenen in beeld te brengen.
“Traditioneel was het ondraaglijk arbeidsintensief om fluorescerende spanningsindicatoren te ontwikkelen, omdat elke mutant afzonderlijk moest worden gekloond en vervolgens getest door middel van een langzame, handmatige patch-clamp elektrofysiologie meting. Het Boyden lab heeft een zeer slimme high-throughput screening aanpak voor dit probleem ontwikkeld,” zegt Cohen, die niet bij deze studie betrokken was. “Hun nieuwe reporter ziet er echt geweldig uit in vissen en wormen en in hersenplakjes. Ik sta te popelen om het in mijn lab te proberen.”
De onderzoekers werken nu aan het gebruik van deze technologie om hersenactiviteit bij muizen te meten terwijl ze verschillende taken uitvoeren, wat hen volgens Boyden in staat moet stellen om neurale circuits in kaart te brengen en te ontdekken hoe ze specifiek gedrag produceren.
“We zullen in staat zijn om een neurale berekening te zien gebeuren,” zegt hij. “In de komende vijf jaar of zo gaan we proberen om een aantal kleine hersencircuits volledig op te lossen. Zulke resultaten zouden een stap kunnen zetten in de richting van het begrijpen wat een gedachte of een gevoel eigenlijk is.”
Het onderzoek werd gefinancierd door het HHMI-Simons Faculty Scholars Program, de IET Harvey Prize, het MIT Media Lab, de New York Stem Cell Foundation Robertson Award, het Open Philanthropy Project, John Doerr, het Human Frontier Science Program, het ministerie van Defensie, de National Science Foundation, en de National Institutes of Health, waaronder een NIH Director’s Pioneer Award.