Brug af vandmolekyler til at låse op for neurons hemmeligheder

Neuroner er hjerneceller, der kommunikerer med hinanden ved at sende elektrokemiske signaler langs axoner. Når en neuron er ved at frigive et signal i form af en elektrisk ladning, det tillader ioner at passere gennem sin membran via ionkanaler. Denne ionoverførsel skaber en elektrisk potentialeforskel mellem indersiden og ydersiden af ​​cellen, og den forskel omtales som membranpotentialet.

Et team af forskere på Laboratory for fundamental BioPhotonics (LBP) inden for EPFL's School of Engineering (STI) har fundet på en måde at overvåge ændringer i membranpotentiale og observere ionstrømme ved at studere vandmolekylernes adfærd omkring membranerne i neuronerne. Forskerne, der med succes testede deres metode på in vitro mus neuroner, har netop offentliggjort deres fund i Naturkommunikation .

Ikke flere elektroder eller fluoroforer

En bedre forståelse af neurons elektriske aktivitet kan give indsigt i en række processer, der finder sted i vores hjerner. For eksempel, forskere kunne se, om en neuron er aktiv eller hviler, eller hvis det reagerer på lægemiddelbehandling. Indtil nu, den eneste måde at overvåge neuroner var ved at injicere fluoroforer i, eller fastgørelse af elektroder på, den del af hjernen, der undersøges - men fluoroforer kan være giftige, og elektroder kan beskadige neuronerne.

For nylig, LBP -forskerne udviklede en måde at spore elektrisk aktivitet i neuroner ved blot at se på interaktionen mellem vandmolekyler og neurale membraner. "Neuroner er omgivet af vandmolekyler, som ændrer orientering i nærvær af en elektrisk ladning, "siger Sylvie Roke, direktør for LBP. "Når membranpotentialet ændres, vandmolekylerne vil orientere sig igen-og vi kan observere det. "

I deres undersøgelse, forskerne ændrede det neuronale membranpotentiale ved at udsætte neuronerne for en hurtig tilstrømning af kaliumioner. Dette fik ionkanalerne på neuronernes overflade - som tjener til at regulere membranpotentialet - til at åbne og lade ionerne komme igennem. Forskerne slukkede derefter for strømmen af ​​ioner, og neuronerne frigav de ioner, de havde samlet op.

For at overvåge denne aktivitet, forskerne undersøgte de hydratiserede neuronale lipidmembraner ved at belyse cellerne med to laserstråler af samme frekvens. Disse stråler består af femtosekund laserpulser - brug af teknologi, som Nobelprisen i fysik i 2018 blev tildelt - så vandmolekylerne på membranens grænseflade genererer fotoner med en anden frekvens, kendt som andet-harmonisk lys.

"Vi ser både fundamentale og anvendte konsekvenser af vores forskning. Ikke alene kan det hjælpe os med at forstå de mekanismer, som hjernen bruger til at sende information, men det kan også appellere til farmaceutiske virksomheder, der er interesseret i in vitro -produkttest, "tilføjer Roke." Og vi har nu vist, at vi kan analysere en enkelt neuron eller et hvilket som helst antal neuroner ad gangen. "