Neuroner i hjernen kommunikerer via hurtige elektriske impulser, der gør det muligt for hjernen at koordinere adfærd, følelser, tanker og følelser. Forskere, der ønsker at studere denne elektriske aktivitet, måler normalt disse signaler med elektroder, der indsættes i hjernen, en opgave, der er notorisk vanskelig og tidskrævende.
MIT-forskere har nu fundet frem til en helt anden metode til at måle den elektriske aktivitet i hjernen, som de mener vil vise sig at være meget lettere og mere informativ. De har udviklet et lysfølsomt protein, som kan indlejres i neuronmembraner, hvor det udsender et fluorescerende signal, der angiver, hvor meget spænding en bestemt celle oplever. Dette kan give forskerne mulighed for at studere, hvordan neuroner opfører sig, millisekund for millisekund, mens hjernen udfører en bestemt funktion.
“Hvis man sætter en elektrode i hjernen, er det som at forsøge at forstå en telefonsamtale ved kun at høre én person tale”, siger Edward Boyden, der er lektor i biologisk teknik og hjerne- og kognitionsvidenskab ved MIT. “Nu kan vi registrere den neurale aktivitet af mange celler i et neuralt kredsløb og høre dem, mens de taler med hinanden.”
Boyden, der også er medlem af MIT’s Media Lab, McGovern Institute for Brain Research og Koch Institute for Integrative Cancer Research samt HHMI-Simons Faculty Scholar, er hovedforfatter på undersøgelsen, der er offentliggjort i Nature Chemical Biology, der udkommer den 26. februar. Papirets hovedforfattere er MIT’s postdocs Kiryl Piatkevich og Erica Jung.
Imaging voltage
I de sidste to årtier har forskere søgt efter en måde at overvåge elektrisk aktivitet i hjernen gennem billeddannelse i stedet for at optage med elektroder. Det har været vanskeligt at finde fluorescerende molekyler, der kan bruges til denne form for billeddannelse; proteinerne skal ikke blot være meget følsomme over for ændringer i spænding, de skal også reagere hurtigt og være modstandsdygtige over for fotoblegning (udtværing, der kan forårsages af eksponering for lys).
Boyden og hans kolleger fandt på en ny strategi for at finde et molekyle, der kunne opfylde alt på denne ønskeliste: De byggede en robot, der kunne screene millioner af proteiner, der blev genereret gennem en proces, der kaldes rettet proteinekspiration, for de egenskaber, de ønskede.
“Man tager et gen, så laver man millioner og atter millioner og atter millioner af muterede gener, og til sidst vælger man dem, der fungerer bedst,” siger Boyden. “Det er den måde, evolutionen fungerer på i naturen, men nu gør vi det i laboratoriet med robotter, så vi kan udvælge de gener med de egenskaber, vi ønsker.”
Forskerne lavede 1,5 millioner muterede versioner af et lysfølsomt protein kaldet QuasAr2, som tidligere blev konstrueret af Adam Cohens laboratorium ved Harvard University. (Det arbejde var til gengæld baseret på molekylet Arch, som Boyden-laboratoriet rapporterede om i 2010). Forskerne satte hvert af disse gener ind i pattedyrceller (en mutant pr. celle) og dyrkede derefter cellerne i laboratorieskåle og brugte et automatiseret mikroskop til at tage billeder af cellerne. Robotten var i stand til at identificere celler med proteiner, der opfyldte de kriterier, som forskerne søgte, hvor de vigtigste var proteinets placering i cellen og dets lysstyrke.
Forskerholdet udvalgte derefter fem af de bedste kandidater og foretog endnu en runde af mutationer, hvilket genererede 8 millioner nye kandidater. Robotten udvalgte de syv bedste af disse, som forskerne derefter indsnævrede til én af de bedste, som de kaldte Archon1.
Kortlægning af hjernen
En vigtig egenskab ved Archon1 er, at når genet er leveret til en celle, indlejrer Archon1-proteinet sig selv i cellemembranen, hvilket er det bedste sted at opnå en præcis måling af cellens spænding.
Med dette protein var forskerne i stand til at måle elektrisk aktivitet i hjernevæv fra mus samt i hjerneceller fra zebrafisklarver og ormen Caenorhabditis elegans. De to sidstnævnte organismer er gennemsigtige, så det er let at eksponere dem for lys og afbilde den resulterende fluorescens. Når cellerne udsættes for en bestemt bølgelængde af rødorange lys, udsender proteinsensoren en længere bølgelængde af rødt lys, og lysets lysstyrke svarer til spændingen i den pågældende celle på et givet tidspunkt.
Forskerne viste også, at Archon1 kan bruges sammen med lysfølsomme proteiner, der almindeligvis bruges til at dæmpe eller stimulere neuronaktivitet – disse er kendt som optogenetiske proteiner – så længe disse proteiner reagerer på andre farver end rød. I forsøg med C. elegans viste forskerne, at de kunne stimulere en neuron ved hjælp af blåt lys og derefter bruge Archon1 til at måle den resulterende effekt i neuroner, der modtager input fra denne celle.
Cohen, den Harvard-professor, der udviklede forgængeren til Archon1, siger, at det nye MIT-protein bringer forskerne tættere på målet om at afbilde elektrisk aktivitet i millisekundeskala i levende hjerner.
“Traditionelt har det været ulideligt arbejdskrævende at udvikle fluorescerende spændingsindikatorer, fordi hver mutant skulle klones individuelt og derefter testes gennem en langsom, manuel patch-clamp elektrofysiologisk måling med patch-clamp. Boyden-laboratoriet har udviklet en meget smart high-throughput-screeningtilgang til dette problem,” siger Cohen, som ikke var involveret i denne undersøgelse. “Deres nye reporter ser virkelig godt ud i fisk og orme og i hjerneskiver. Jeg er ivrig efter at prøve den i mit laboratorium.”
Forskerne arbejder nu på at bruge denne teknologi til at måle hjerneaktivitet i mus, mens de udfører forskellige opgaver, hvilket Boyden mener, at det vil gøre det muligt for dem at kortlægge neurale kredsløb og opdage, hvordan de producerer specifik adfærd.
“Vi vil være i stand til at se en neural beregning ske”, siger han. “I løbet af de næste fem år eller deromkring vil vi forsøge at løse nogle små hjernekredsløb fuldstændigt. Sådanne resultater kan tage et skridt i retning af at forstå, hvad en tanke eller en følelse egentlig er.”
Forskningen blev finansieret af 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, forsvarsministeriet, National Science Foundation og National Institutes of Health, herunder en NIH Director’s Pioneer Award.