Forskere designer teknologi, der ser nerveceller brande

Forskere har masser af måder at se på som individuelle neuroner i en hjernebrand, sender elektriske signaler fra det ene til det andet, men de deler alle et grundlæggende problem. Hver metode, om det involverer elektriske sonder, kemiske agenser eller genetiske modifikationer er på en eller anden måde mere invasiv, end neuroforskere gerne vil have.

Det kan snart ændre sig. Som Stanford -forskere rapporterer 12. december in Lys:Videnskab og applikationer , de har udviklet en måde at se hjerneceller sende elektriske signaler ved kun at bruge lys, et par linser og andre optiske elementer, og et hurtigt videokamera.

Nøglen til den nye tilgang, sagde Daniel Palanker, en professor i oftalmologi og seniorforfatter på det nye papir, er, at når neuroner affyrer elektriske signaler, ændrer de subtilt form. Denne ændring i nanometer-skala kan måles ved hjælp af optiske teknikker.

Indtil nu, Palanker, Tong Ling, en postdoktor og hovedforfatteren på det nye papir, og kolleger har målt disse minimale formændringer i netværk af neuronlignende celler i en laboratorieskål. De tilpasser nu deres metoder til at studere neuroner i hjernen hos levende dyr. Hvis det lykkes, det kunne føre til en mere naturlig måde at studere i det mindste nogle dele af hjernen.

"Det er helt naturligt, ingen kemiske markører, ingen elektroder, ikke noget. Det er bare celler, som de er, sagde Palanker, der er medlem af Stanford Bio-X og Wu Tsai Neurosciences Institute.

Tingenes form

Der sker meget, når neuroner brænder. Der er selvfølgelig selve det elektriske signal, som kan optages af elektroder. Der er også kemiske ændringer, som kan detekteres ved hjælp af fluorescerende molekyler, der lyser op, når et neuron affyrer.

Og så er der form. Forskere indså først, at neuroner ændrer form ved at studere krebsneuroner for mere end 40 år siden. I 1977 sprang et team af Stanford- og UCSF -forskere en laser af en krebsneuron, da den affyrede og viste dens bredde ændret med omtrent tykkelsen af ​​en streng af menneskeligt DNA.

Men at oversætte disse resultater til en måde til optisk at observere neuroner, der skyder i menneskelige eller andre pattedyrhjerner, stod over for en række udfordringer. For én ting, krebsneuroner er 10 til 100 gange tykkere end pattedyrneuroner. For en anden, den teknik, som den originale gruppe brugte - en simpel form for det, der kaldes interferometri - kan kun måle ændringer i et enkelt punkt ad gangen, hvilket betyder, at den kun kan bruges til at studere et lille område af en celle ad gangen, i stedet for at afbilde hele cellen eller endda et netværk af neuroner, der kommunikerer med hinanden i hjernen.

Skinner nyt lys på neuronfyring

For at løse nogle af disse problemer, Ling, Palanker og kolleger vendte sig først til en variation af standardinterferometri kaldet kvantitativ fasemikroskopi, som gør det muligt for forskere at kortlægge hele mikroskopiske landskaber - f.eks. landskabet i et netværk af celler anbragt på en glasplade. Teknikken er enkel nok til, at det kan gøres ved at skinne laserlys gennem disse celler, fører det gennem et par linser, filtre og andre optiske elementer og filtre, og optagelse af output med et kamera. Dette billede kan derefter behandles for at oprette et topografisk kort over cellerne.

Ling, Palanker og teamet begrundede, at de kunne bruge teknikken til at måle, hvor meget neuroner ændrer form, når de affyrer. For at teste ideen, de voksede et netværk af neuronlignende celler på en glasplade og brugte et videokamera til at registrere, hvad der skete, da cellerne-faktisk nyreafledte celler modificerede til at opføre sig mere som neuroner-blev affyret. Ved at synkronisere videoen med elektriske optagelser og i gennemsnit over flere tusinde eksempler, teamet oprettede en skabelon, der beskriver, hvordan celler bevæger sig, når de affyres:over cirka fire millisekunder, celletykkelsen stiger med cirka tre nanometer, en ændring på cirka en hundrededel af 1 procent. Når den når maksimal tykkelse, cellen tager cirka endnu en tiendedel af et sekund at skrumpe ned igen.

Ser hjerneceller på arbejde

I forsøgets indledende fase, holdet havde brug for elektroder for at finde ud af, hvornår cellerne affyrede. I anden fase, teammedlemmerne viste, at de kunne bruge deres skabelon til at søge efter og identificere cellefyring uden at stole på elektroder.

Stadig, der er en række trin, der skal tages, før teamet kan få metoden til at fungere i rigtige hjerner. Først, holdet skal få teknikken til at fungere i egentlige neuroner, i modsætning til de neuronlignende celler, de har set på indtil nu. "Neuroner er mere pinlige, "Sagde Palanker, men teamet er allerede begyndt at eksperimentere med dem.

En anden udfordring er, at neuroner i rigtige hjerner ikke er arrangeret i et enkelt lag på en glasplade, ligesom cellerne i Palankers laboratorium blev undersøgt. I særdeleshed, holdet kan ikke skinne lasere gennem hjernen og forvente at se meget af noget komme ud på den anden side, endsige nyttige data. Heldigvis, Palanker sagde, de teknikker, de brugte med transmitteret lys, fungerer på samme måde i reflekteret lys, og de fleste neuroner reflekterer nok lys til, at tilgangen i teorien skulle fungere.

Der er en begrænsning, som holdet sandsynligvis ikke vil være i stand til at komme udenom - da lys ikke trænger dybt ind i hjernen, den nye metode vil kun være i stand til at undersøge de ydre lag. Stadig, til projekter, der kun behøver at studere disse lag, teknikken kunne give forskere en renere, enklere måde at studere hjernen på.

"Som regel, invasive metoder påvirker, hvad celler gør, hvilket gør målingerne mindre pålidelige, "Sagde Palanker." Her gør du ingenting ved cellerne. Du ser stort set bare dem bevæge sig. "