Observarea activității electrice a creierului

Neuronii din creier comunică prin impulsuri electrice rapide care permit creierului să coordoneze comportamentul, senzațiile, gândurile și emoțiile. Oamenii de știință care doresc să studieze această activitate electrică măsoară, de obicei, aceste semnale cu ajutorul unor electrozi introduși în creier, o sarcină care este, în mod notoriu, dificilă și consumatoare de timp.

Cercetătorii de laMIT au venit acum cu o abordare complet diferită pentru măsurarea activității electrice din creier, despre care ei cred că se va dovedi mult mai ușoară și mai informativă. Aceștia au dezvoltat o proteină sensibilă la lumină care poate fi încorporată în membranele neuronilor, unde emite un semnal fluorescent care indică nivelul de tensiune la care este supusă o anumită celulă. Acest lucru ar putea permite oamenilor de știință să studieze modul în care se comportă neuronii, milisecundă cu milisecundă, în timp ce creierul îndeplinește o anumită funcție.

„Dacă puneți un electrod în creier, este ca și cum ați încerca să înțelegeți o conversație telefonică ascultând doar o singură persoană vorbind”, spune Edward Boyden, profesor asociat de inginerie biologică și de științe ale creierului și cognitive la MIT. „Acum putem înregistra activitatea neuronală a mai multor celule dintr-un circuit neuronal și le putem auzi în timp ce vorbesc între ele.”

Boyden, care este, de asemenea, membru al Laboratorului Media, al Institutului McGovern pentru Cercetarea Creierului și al Institutului Koch pentru Cercetarea Integrativă a Cancerului de la MIT și bursier al Facultății HHMI-Simons, este autorul principal al studiului, care apare în numărul din 26 februarie al revistei Nature Chemical Biology. Autorii principali ai lucrării sunt postdoctoranzii MIT Kiryl Piatkevich și Erica Jung.

Imaginea tensiunii

În ultimele două decenii, oamenii de știință au căutat o modalitate de a monitoriza activitatea electrică din creier prin imagistică în loc de înregistrarea cu electrozi. Găsirea moleculelor fluorescente care pot fi folosite pentru acest tip de imagistică a fost dificilă; nu numai că proteinele trebuie să fie foarte sensibile la schimbările de voltaj, dar trebuie, de asemenea, să răspundă rapid și să fie rezistente la fotodecolorare (decolorarea care poate fi cauzată de expunerea la lumină).

Boyden și colegii săi au venit cu o nouă strategie pentru a găsi o moleculă care să îndeplinească toate aspectele de pe această listă de dorințe: Ei au construit un robot care ar putea examina milioane de proteine, generate printr-un proces numit evoluție dirijată a proteinelor, pentru trăsăturile pe care le doreau.

„Luați o genă, apoi faceți milioane și milioane de gene mutante și, în cele din urmă, le alegeți pe cele care funcționează cel mai bine”, spune Boyden. „Acesta este modul în care funcționează evoluția în natură, dar acum o facem în laborator cu ajutorul unor roboți, astfel încât să putem alege genele cu proprietățile pe care le dorim.”

Cercetătorii au realizat 1,5 milioane de versiuni mutante ale unei proteine sensibile la lumină numită QuasAr2, care a fost proiectată anterior de laboratorul lui Adam Cohen de la Universitatea Harvard. (Acea lucrare, la rândul său, s-a bazat pe molecula Arch, pe care laboratorul Boyden a raportat-o în 2010). Cercetătorii au pus fiecare dintre aceste gene în celule de mamifere (câte un mutant pe celulă), apoi au cultivat celulele în vase de laborator și au folosit un microscop automat pentru a face fotografii ale celulelor. Robotul a fost capabil să identifice celulele cu proteine care îndeplineau criteriile pe care le căutau cercetătorii, cele mai importante fiind localizarea proteinei în interiorul celulei și luminozitatea acesteia.

Echipa de cercetare a selectat apoi cinci dintre cei mai buni candidați și a făcut o altă rundă de mutații, generând 8 milioane de noi candidați. Robotul i-a ales pe cei mai buni șapte dintre aceștia, pe care cercetătorii i-au redus apoi la unul dintre cei mai performanți, pe care l-au numit Archon1.

Cartografierea creierului

O caracteristică cheie a Archon1 este că, odată ce gena este livrată într-o celulă, proteina Archon1 se încorporează în membrana celulară, care este cel mai bun loc pentru a obține o măsurare precisă a tensiunii unei celule.

Utilizând această proteină, cercetătorii au reușit să măsoare activitatea electrică în țesutul creierului de șoarece, precum și în celulele cerebrale ale larvelor de pește zebră și ale viermelui Caenorhabditis elegans. Ultimele două organisme sunt transparente, astfel încât este ușor să le expunem la lumină și să obținem imagini ale fluorescenței rezultate. Atunci când celulele sunt expuse la o anumită lungime de undă de lumină roșie-portocalie, senzorul de proteine emite o lungime de undă mai mare de lumină roșie, iar luminozitatea luminii corespunde tensiunii acelei celule la un moment dat în timp.

Cercetătorii au arătat, de asemenea, că Archon1 poate fi utilizat împreună cu proteine sensibile la lumină care sunt utilizate în mod obișnuit pentru a reduce la tăcere sau a stimula activitatea neuronilor – acestea sunt cunoscute sub numele de proteine optogenetice – atâta timp cât aceste proteine răspund la alte culori decât roșu. În experimentele cu C. elegans, cercetătorii au demonstrat că pot stimula un neuron folosind lumină albastră și apoi să folosească Archon1 pentru a măsura efectul rezultat în neuronii care primesc intrări de la acea celulă.

Cohen, profesorul de la Harvard care a dezvoltat predecesorul Archon1, spune că noua proteină de la MIT îi aduce pe oamenii de știință mai aproape de obiectivul de a obține imagini ale activității electrice la scara milisecundei în creiere vii.

„În mod tradițional, proiectarea indicatorilor de tensiune fluorescenți a fost extrem de laborioasă, deoarece fiecare mutant a trebuit să fie clonat individual și apoi testat printr-o măsurătoare electrofiziologică lentă și manuală de tip patch-clamp. Laboratorul Boyden a dezvoltat o abordare foarte inteligentă de screening de mare capacitate pentru această problemă”, spune Cohen, care nu a fost implicat în acest studiu. „Noul lor reporter arată foarte bine în pești și viermi și în felii de creier. Sunt nerăbdător să îl încerc în laboratorul meu.”

Cercetătorii lucrează acum la utilizarea acestei tehnologii pentru a măsura activitatea cerebrală la șoareci în timp ce aceștia îndeplinesc diverse sarcini, ceea ce, în opinia lui Boyden, ar trebui să le permită să cartografieze circuitele neuronale și să descopere modul în care acestea produc comportamente specifice.

„Vom fi capabili să urmărim cum se produce un calcul neuronal”, spune el. „În următorii cinci ani sau cam așa ceva, vom încerca să rezolvăm complet unele circuite cerebrale mici. Astfel de rezultate ar putea face un pas spre înțelegerea a ceea ce este de fapt un gând sau un sentiment.”

Cercetarea a fost finanțată de HHMI-Simons Faculty Scholars Program, de IET Harvey Prize, de MIT Media Lab, de New York Stem Cell Foundation Robertson Award, de Open Philanthropy Project, de John Doerr, de Human Frontier Science Program, de Departamentul Apărării, de National Science Foundation și de National Institutes of Health, inclusiv de un NIH Director’s Pioneer Award.

.