Neuroner i hjärnan kommunicerar via snabba elektriska impulser som gör det möjligt för hjärnan att samordna beteende, känsla, tankar och känslor. Forskare som vill studera denna elektriska aktivitet brukar mäta dessa signaler med elektroder som förs in i hjärnan, en uppgift som är notoriskt svår och tidskrävande.
MIT-forskare har nu kommit på ett helt annat sätt att mäta den elektriska aktiviteten i hjärnan, vilket de tror kommer att visa sig vara mycket enklare och mer informativt. De har utvecklat ett ljuskänsligt protein som kan bäddas in i neuronmembran, där det avger en fluorescerande signal som visar hur mycket spänning en viss cell upplever. Detta skulle kunna göra det möjligt för forskare att studera hur neuronerna beter sig, millisekund för millisekund, när hjärnan utför en viss funktion.
”Om man sätter en elektrod i hjärnan är det som att försöka förstå ett telefonsamtal genom att bara höra en person prata”, säger Edward Boyden, docent i biologisk ingenjörskonst och hjärn- och kognitionsvetenskap vid MIT. ”Nu kan vi registrera den neurala aktiviteten hos många celler i en neuralkrets och höra dem när de pratar med varandra.”
Boyden, som också är medlem av MIT:s Media Lab, McGovern Institute for Brain Research och Koch Institute for Integrative Cancer Research samt HHMI-Simons Faculty Scholar, är huvudförfattare till studien, som publiceras i Nature Chemical Biology den 26 februari. De främsta författarna till artikeln är MIT:s postdoktorer Kiryl Piatkevich och Erica Jung.
Bildspänning
Under de senaste två decennierna har forskare försökt hitta ett sätt att övervaka den elektriska aktiviteten i hjärnan med hjälp av bilder i stället för att registrera med elektroder. Det har varit svårt att hitta fluorescerande molekyler som kan användas för denna typ av avbildning; proteinerna måste inte bara vara mycket känsliga för förändringar i spänningen, de måste också reagera snabbt och vara motståndskraftiga mot fotoblekning (blekning som kan orsakas av exponering för ljus).
Boyden och hans kollegor kom på en ny strategi för att hitta en molekyl som skulle uppfylla allt på denna önskelista: De byggde en robot som kunde screena miljontals proteiner, genererade genom en process som kallas riktad proteinevolution, efter de egenskaper de ville ha.
”Man tar en gen, sedan gör man miljontals och åter miljontals muterade gener, och till sist väljer man ut de som fungerar bäst”, säger Boyden. ”Det är så evolutionen fungerar i naturen, men nu gör vi det i labbet med robotar så att vi kan välja ut generna med de egenskaper vi vill ha.”
Forskarna gjorde 1,5 miljoner muterade versioner av ett ljuskänsligt protein som kallas QuasAr2, som tidigare konstruerats av Adam Cohens labb vid Harvard University. (Det arbetet var i sin tur baserat på molekylen Arch, som Boydens labb rapporterade om 2010). Forskarna satte in var och en av dessa gener i däggdjursceller (en mutant per cell), odlade sedan cellerna i labbskålar och använde ett automatiserat mikroskop för att ta bilder av cellerna. Roboten kunde identifiera celler med proteiner som uppfyllde de kriterier som forskarna sökte, där de viktigaste var proteinets placering i cellen och dess ljusstyrka.
Forskarteamet valde sedan ut fem av de bästa kandidaterna och gjorde ytterligare en mutationsrunda, vilket genererade 8 miljoner nya kandidater. Roboten valde ut de sju bästa av dessa, som forskarna sedan avgränsade till en toppkandidat, som de kallade Archon1.
Kartläggning av hjärnan
En viktig egenskap hos Archon1 är att när genen väl har levererats in i en cell bäddar Archon1-proteinet in sig självt i cellmembranet, vilket är det bästa stället för att få en noggrann mätning av en cells spänning.
Med hjälp av detta protein kunde forskarna mäta elektrisk aktivitet i hjärnvävnad från möss samt i hjärnceller från zebrafisklarver och masken Caenorhabditis elegans. De två sistnämnda organismerna är genomskinliga, så det är lätt att exponera dem för ljus och avbilda den resulterande fluorescensen. När cellerna utsätts för en viss våglängd av rödorange ljus avger proteinsensorn en längre våglängd av rött ljus, och ljusets ljusstyrka motsvarar spänningen i den cellen vid en viss tidpunkt.
Forskarna visade också att Archon1 kan användas tillsammans med ljuskänsliga proteiner som vanligen används för att tysta eller stimulera nervcellsaktivitet – dessa kallas optogenetiska proteiner – så länge som dessa proteiner reagerar på andra färger än rött. I experiment med C. elegans visade forskarna att de kunde stimulera en neuron med blått ljus och sedan använda Archon1 för att mäta den resulterande effekten i neuroner som tar emot input från den cellen.
Cohen, Harvardprofessorn som utvecklade föregångaren till Archon1, säger att det nya MIT-proteinet för forskarna närmare målet att avbilda elektrisk aktivitet i millisekundskala i levande hjärnor.
”Traditionellt har det varit olidligt arbetsintensivt att konstruera fluorescerande spänningsindikatorer, eftersom varje mutant måste klonas individuellt och sedan testas genom en långsam, manuell patch-clamp elektrofysiologisk mätning. Boyden-laboratoriet har utvecklat en mycket smart screeningmetod med hög genomströmning för att lösa detta problem”, säger Cohen, som inte var inblandad i den här studien. ”Deras nya reporter ser riktigt bra ut i fiskar och maskar och i hjärnskivor. Jag är ivrig att prova den i mitt labb.”
Forskarna arbetar nu med att använda den här tekniken för att mäta hjärnaktiviteten hos möss när de utför olika uppgifter, vilket Boyden anser bör göra det möjligt för dem att kartlägga neurala kretsar och upptäcka hur de producerar specifika beteenden.
”Vi kommer att kunna titta på hur en neuronal beräkning sker”, säger han. ”Under de närmaste fem åren eller så kommer vi att försöka lösa några små hjärnkretsar helt och hållet. Sådana resultat kan ta ett steg mot att förstå vad en tanke eller en känsla faktiskt är.”
Forskningen finansierades av 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, försvarsdepartementet, National Science Foundation och National Institutes of Health, inklusive NIH Director’s Pioneer Award.