Forskerhold udvikler et nyt system til at spore hjernekemikalier

Forskere ved UCLA og Columbia University har udviklet en ny metode til at spore aktiviteten af ​​små molekyler i hjernen, herunder neurotransmitterne serotonin og dopamin. Parring af små kunstige receptorer med halvlederenheder, der er i stand til at fungere i levende væv, teamet var i stand til at observere hjernekemikalier på et højt detaljeringsniveau.

Forskningen, offentliggjort i tidsskriftet Videnskab , er en del af BRAIN Initiative, et omfattende samarbejde mellem myndigheder, privat industri, nonprofitorganisationer, og adskillige gymnasier og universiteter.

"Forståelse af det grundlæggende i, hvordan neurotransmission opstår, vil hjælpe os med at forstå ikke kun, hvordan vores hjerner fungerer, men hvad sker der i psykiatriske lidelser, "sagde Andrews." For at komme videre med dramatisk bedre behandlinger, vi skal forstå, hvordan vi indkoder information om angst eller humør – processer, der kan gå skævt, nogle gange med ødelæggende konsekvenser."

"Idéen til dette projekt begyndte for 20 år siden, "sagde hovedforsker Anne M. Andrews, professor i psykiatri og kemi ved UCLA. "Det blev født ud af et kritisk behov i min egen forskning om serotonin. Min gruppe brugte avanceret in vivo-monitorering - men det blev klart for mig, at det ikke ville være nok til at forbedre metoderne. nødvendig løsning. Vi havde brug for en helt ny sansestrategi." Dette førte til samarbejde med Paul Weiss, professor i kemi og materialevidenskab ved UCLA.

Andrews forestillede sig at koble kunstige receptorer med en nanoskala-signaleringsplatform. En stor forhindring, imidlertid, var, at de nødvendige transistorer, som er grundlæggende enheder af computere og mobiltelefoner, og er nødvendige for at behandle et signal, fungerer ikke godt i vådt, salte miljøer.

"Enhver transistors arbejdshest er halvlederen, "Sagde Andrews." Men når du putter det i saltvand, saltionerne - ladede atomer - står på linje på halvlederoverfladen, og skærm det, forhindrer detektering af elektriske feltændringer. Spørgsmålet var, "Hvordan kan vi udnytte den kraftfulde videnskab og følsomhed af eksisterende transistorer for at bruge dem i højsaltmiljøer som hjernen?" "Et samarbejde med Yang Yang, professor i materialevidenskab ved UCLA, forsynede holdet med højtydende nanoskala halvledermaterialer.

At se på naturen er nogle gange mere effektivt end at udtænke helt nye metoder, sagde Andrews. Så hun slog sig sammen med professor Milan Stojanovi? og Dr. Kyung-Ae Yang, både Columbia, som brugte nukleinsyresekvenser som receptorer. En fordel ved disse biomolekyler er, at de er mindre end større proteinreceptorer, der bruges af native celler og andre efterforskere til biosensorer.

"Vores gennembrud var, at vi brugte en anden slags receptor, der var biologisk inspireret - trods alt, livet begyndte med RNA, " sagde Andrews. Columbia-forskerne udvikler nukleinsyresekvenser, der fungerer som receptorer, kaldet aptamer, som er små nok til at en del er tæt på halvlederoverflader. Og i dette, vi har overvundet problemet med 'saltafskærmning'.

I det nye blad, holdet identificerede og testede med succes receptorer for serotonin, dopamin, og glucose. Receptorerne viste sig at være ekstremt selektive, binder kun de molekyler, de er designet til at binde. Systemet var vellykket selv i levende hjernevæv fra mus.

Metoden er universel, så det kan bruges til næsten ethvert mål - til at lære, for eksempel, hvordan stoffer ændrer sig med tiden i hjernen eller andre organer, hvordan blodtrykket reguleres, og hvordan signalmolekyler er forbundet med tarmmikrobiomet ebbe og flow.

Andrews' største interesse ligger stadig hos neurotransmittere. "Vi har i øjeblikket ikke metoder til at studere signalering af neurotransmitter på de skalaer, som information er kodet over, " sagde Andrews. "Så disse sensorer vil give os mulighed for at nærme os kritiske dimensioner. Et mål er i sidste ende at finde ud af, hvordan hjerner behandler information gennem forskellige neurotransmittere." Resultaterne har ikke kun implikationer for at observere, hvordan neurokemikalier virker under normale forhold, men også i at forstå psykiatriske tilstande som depression og angst.

Holdet tester nu strategien til at se neurokemikalier i hjernen hos opførende dyr.