Neurony w mózgu komunikują się za pomocą szybkich impulsów elektrycznych, które pozwalają mózgowi koordynować zachowanie, doznania, myśli i emocje. Naukowcy, którzy chcą badać tę aktywność elektryczną zazwyczaj mierzą te sygnały za pomocą elektrod wprowadzanych do mózgu, co jest notorycznie trudnym i czasochłonnym zadaniem.
Badacze z MIT wymyślili teraz zupełnie inne podejście do pomiaru aktywności elektrycznej w mózgu, które ich zdaniem okaże się znacznie łatwiejsze i bardziej pouczające. Opracowali oni światłoczułe białko, które może być osadzone w błonach neuronów, gdzie emituje sygnał fluorescencyjny, który wskazuje, jak duże napięcie doświadcza dana komórka. Dzięki temu naukowcy mogą badać, jak zachowują się neurony, milisekunda po milisekundzie, gdy mózg wykonuje określoną funkcję.
„Jeśli umieścisz elektrodę w mózgu, to tak, jakbyś próbował zrozumieć rozmowę telefoniczną, słysząc tylko jedną osobę” – mówi Edward Boyden, profesor nadzwyczajny inżynierii biologicznej oraz nauk o mózgu i poznawczych w MIT. „Teraz możemy zarejestrować aktywność neuronową wielu komórek w obwodzie neuronowym i usłyszeć, jak rozmawiają ze sobą.”
Boyden, który jest również członkiem MIT’s Media Lab, McGovern Institute for Brain Research i Koch Institute for Integrative Cancer Research oraz HHMI-Simons Faculty Scholar, jest starszym autorem badania, które ukazało się w numerze Nature Chemical Biology z 26 lutego. Głównymi autorami pracy są postdocs MIT Kiryl Piatkevich i Erica Jung.
Obrazowanie napięcia
Przez ostatnie dwie dekady naukowcy szukali sposobu na monitorowanie aktywności elektrycznej w mózgu poprzez obrazowanie zamiast nagrywania za pomocą elektrod. Znalezienie cząsteczek fluorescencyjnych, które mogą być wykorzystane do tego rodzaju obrazowania, było trudne; nie tylko białka muszą być bardzo wrażliwe na zmiany napięcia, muszą również reagować szybko i być odporne na fotobielenie (blaknięcie, które może być spowodowane ekspozycją na światło).
Boyden i jego koledzy wymyślili nową strategię znalezienia cząsteczki, która spełniłaby wszystko na tej liście życzeń: Zbudowali robota, który mógł przesiewać miliony białek, wygenerowanych w procesie zwanym ukierunkowaną ewolucją białek, pod kątem pożądanych cech.
„Bierzesz gen, następnie tworzysz miliony i miliony zmutowanych genów, a na koniec wybierasz te, które działają najlepiej” – mówi Boyden. „W ten sposób ewolucja działa w przyrodzie, ale teraz robimy to w laboratorium z robotami, więc możemy wybrać geny o pożądanych przez nas właściwościach.”
Badacze stworzyli 1,5 miliona zmutowanych wersji wrażliwego na światło białka o nazwie QuasAr2, które zostało wcześniej opracowane przez laboratorium Adama Cohena na Uniwersytecie Harvarda. (Ta praca, z kolei, była oparta na cząsteczce Arch, którą laboratorium Boydena opisało w 2010 roku). Badacze umieścili każdy z tych genów w komórkach ssaków (jeden mutant na komórkę), następnie hodowali komórki w szalkach laboratoryjnych i używali zautomatyzowanego mikroskopu do robienia zdjęć komórek. Robot był w stanie zidentyfikować komórki z białkami, które spełniały kryteria poszukiwane przez badaczy, z których najważniejszymi były lokalizacja białka w komórce i jego jasność.
Zespół badawczy wybrał następnie pięciu najlepszych kandydatów i przeprowadził kolejną rundę mutacji, generując 8 milionów nowych kandydatów. Robot wybrał siedem najlepszych z nich, które badacze następnie zawęzili do jednego najlepszego wykonawcy, którego nazwali Archon1.
Mapowanie mózgu
Kluczową cechą Archon1 jest to, że po dostarczeniu genu do komórki, białko Archon1 osadza się w błonie komórkowej, co jest najlepszym miejscem do uzyskania dokładnego pomiaru napięcia komórki.
Używając tego białka, naukowcy byli w stanie zmierzyć aktywność elektryczną w tkance mózgowej myszy, jak również w komórkach mózgu larw zebrafish i robaka Caenorhabditis elegans. Te dwa ostatnie organizmy są przezroczyste, więc łatwo jest wystawić je na działanie światła i zobrazować powstałą fluorescencję. Kiedy komórki są wystawione na działanie światła czerwono-pomarańczowego o określonej długości fali, czujnik białkowy emituje światło czerwone o dłuższej fali, a jasność światła odpowiada napięciu tej komórki w danym momencie.
Badacze wykazali również, że Archon1 może być stosowany w połączeniu z białkami wrażliwymi na światło, które są powszechnie używane do wyciszania lub stymulowania aktywności neuronów – są one znane jako białka optogenetyczne – o ile białka te reagują na kolory inne niż czerwony. W eksperymentach z C. elegans, badacze wykazali, że mogą stymulować jeden neuron za pomocą niebieskiego światła, a następnie użyć Archon1 do pomiaru powstałego efektu w neuronach, które otrzymują dane wejściowe z tej komórki.
Cohen, profesor Harvardu, który opracował poprzednika Archon1, mówi, że nowe białko MIT przybliża naukowców do celu, jakim jest obrazowanie aktywności elektrycznej w skali milisekundowej w żywych mózgach.
„Tradycyjnie, było to bardzo pracochłonne, aby zaprojektować fluorescencyjne wskaźniki napięcia, ponieważ każdy mutant musiał być sklonowany indywidualnie, a następnie przetestowany przez powolne, ręczne pomiary elektrofizjologiczne patch-clamp. Laboratorium Boydena opracowało bardzo sprytne, wysokowydajne podejście do tego problemu,” mówi Cohen, który nie brał udziału w tym badaniu. „Ich nowy reporter wygląda naprawdę świetnie u ryb i robaków, a także w plastrach mózgu. Nie mogę się doczekać, aby wypróbować go w moim laboratorium.”
Badacze pracują teraz nad wykorzystaniem tej technologii do pomiaru aktywności mózgu u myszy w trakcie wykonywania przez nie różnych zadań, co zdaniem Boydena powinno pozwolić im na mapowanie obwodów neuronalnych i odkrycie, w jaki sposób wytwarzają one określone zachowania.”
„Będziemy mogli obserwować, jak zachodzą obliczenia neuronalne”, mówi. „W ciągu najbliższych pięciu lat postaramy się całkowicie rozwiązać niektóre małe obwody mózgowe. Takie wyniki mogą zrobić krok w kierunku zrozumienia, czym tak naprawdę jest myśl lub uczucie.”
Badania zostały sfinansowane przez 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, Departament Obrony, National Science Foundation oraz National Institutes of Health, w tym NIH Director’s Pioneer Award.