Calciumbaseret MR-sensor muliggør mere følsom hjernebilleddannelse

MIT neuroforskere har udviklet en ny magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) sensor, der giver dem mulighed for at overvåge neural aktivitet dybt inde i hjernen ved at spore calciumioner.

Fordi calciumioner er direkte forbundet med neuronal affyring - i modsætning til ændringerne i blodgennemstrømningen, der detekteres af andre typer MR, som giver et indirekte signal - denne nye type sansning kunne give forskere mulighed for at koble specifikke hjernefunktioner til deres mønster af neuronaktivitet, og at bestemme, hvordan fjerne hjerneregioner kommunikerer med hinanden under bestemte opgaver.

"Koncentrationer af calciumioner er tæt korreleret med signalbegivenheder i nervesystemet, " siger Alan Jasanoff, en MIT professor i biologisk ingeniørvidenskab, hjerne- og kognitionsvidenskab, og nuklear videnskab og teknik, et associeret medlem af MIT's McGovern Institute for Brain Research, og den seniorforfatter af undersøgelsen. "Vi designede en sonde med en molekylær arkitektur, der kan mærke relativt subtile ændringer i ekstracellulært calcium, der er korreleret med neural aktivitet."

I forsøg med rotter, forskerne viste, at deres calciumsensor nøjagtigt kan registrere ændringer i neural aktivitet induceret af kemisk eller elektrisk stimulering, dybt inde i en del af hjernen kaldet striatum.

MIT forskningsmedarbejdere Satoshi Okada og Benjamin Bartelle er hovedforfatterne af undersøgelsen, som vises i 30. april-udgaven af Natur nanoteknologi . Andre forfattere inkluderer professor i hjerne- og kognitionsvidenskab Mriganka Sur, forskningsassistent Nan Li, postdoc Vincent Breton-Provencher, tidligere postdoc Elisenda Rodriguez, Wellesley College bachelor Jiyoung Lee, og gymnasieelev James Melican.

Sporing af calcium

En grundpille i neurovidenskabelig forskning, MR giver forskere mulighed for at identificere dele af hjernen, der er aktive under bestemte opgaver. Den mest brugte type, kendt som funktionel MR, måler blodgennemstrømningen i hjernen som en indirekte markør for neural aktivitet. Jasanoff og hans kolleger ønskede at udtænke en måde at kortlægge mønstre af neural aktivitet med specificitet og opløsning, som blodstrømsbaserede MR-teknikker ikke kan opnå.

"Metoder, der er i stand til at kortlægge hjerneaktivitet i dybt væv, er afhængige af ændringer i blodgennemstrømningen, og de er koblet til neural aktivitet gennem mange forskellige fysiologiske veje, " siger Jasanoff. "Som et resultat, det signal, du ser i sidste ende, er ofte svært at tilskrive en bestemt underliggende årsag."

Calcium ion flow, på den anden side, kan være direkte forbundet med neuronaktivitet. Når en neuron affyrer en elektrisk impuls, calciumioner strømmer ind i cellen. I omkring et årti, neurovidenskabsmænd har brugt fluorescerende molekyler til at mærke calcium i hjernen og afbilde det med traditionel mikroskopi. Denne teknik giver dem mulighed for præcist at spore neuronaktivitet, men dets brug er begrænset til små områder af hjernen.

MIT-teamet satte sig for at finde en måde at afbilde calcium ved hjælp af MRI, hvilket gør det muligt at analysere meget større vævsvolumener. At gøre det, de designede en ny sensor, der kan registrere subtile ændringer i calciumkoncentrationer uden for celler og reagere på en måde, der kan detekteres med MR.

Den nye sensor består af to typer partikler, der klumper sig sammen i nærvær af calcium. Det ene er et naturligt forekommende calciumbindende protein kaldet synaptotagmin, og den anden er en magnetisk jernoxidnanopartikel belagt med et lipid, der også kan binde til synaptotagmin, men kun når calcium er til stede.

Calciumbinding får disse partikler til at klumpe sammen, få dem til at se mørkere ud på et MR-billede. Høje niveauer af calcium uden for neuronerne korrelerer med lav neuronaktivitet; når calciumkoncentrationen falder, det betyder, at neuroner i det område afgiver elektriske impulser.

Registrering af hjerneaktivitet

For at teste sensorerne, forskerne sprøjtede dem ind i striatum hos rotter, en region, der er involveret i at planlægge bevægelse og lære ny adfærd. De gav derefter rotterne en kemisk stimulus, der inducerer korte anfald af neural aktivitet, og fandt, at calciumsensoren afspejlede denne aktivitet.

De fandt også, at sensoren opfangede aktivitet induceret af elektrisk stimulation i en del af hjernen, der var involveret i belønning.

Den aktuelle version af sensoren reagerer inden for et par sekunder efter den første hjernestimulering, men forskerne arbejder på at fremskynde det. De forsøger også at modificere sensoren, så den kan spredes gennem et større område af hjernen og passere gennem blod-hjerne-barrieren, hvilket ville gøre det muligt at levere partiklerne uden at injicere dem direkte til teststedet.

Med denne type sensor, Jasanoff håber at kortlægge mønstre af neural aktivitet med større præcision, end det nu er muligt. "Du kunne forestille dig at måle calciumaktivitet i forskellige dele af hjernen og prøve at bestemme, for eksempel, hvordan forskellige typer sansestimuli kodes på forskellige måder af det rumlige mønster af neurale aktivitet, som de inducerer, " han siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.