Ny nanosensor giver et hidtil uset blik på dopaminfrigivelse

Astronomer bygger nye teleskoper og kigger på nattehimlen for at se, hvad de kan finde. Janelia gruppeleder Abraham Beyene har en lignende tilgang, når han ser på cellerne, der udgør den menneskelige hjerne.

Beyene og hans team designer og syntetiserer nye typer af meget følsomme biosensorer, de bruger til at kigge på neuroner for at se, hvad de kan lære.

"Du har dette nye værktøj, som nu hjælper os med at foretage den slags målinger, som vi aldrig har været i stand til at foretage før, og vi går ind i laboratoriet og implementerer denne teknologi, og vi ser, hvad der sker," siger Beyene. "Det, du ser, er, at nogle virkelig interessante fænomener begynder at dukke op, som du ikke engang er begyndt at tænke på."

Beyene og hans team bruger denne tilgang med deres nye syntetiske nanosensor designet til at fange dopaminfrigivelse på tværs af hele neuroner med subcellulær opløsning. Biosensoren er fastgjort til en 2D nanofilm, kaldet DopaFilm, og neuroner dyrkes derefter oven på filmen. Når neuronerne frigiver neurotransmitteren dopamin, falder kemikaliet ned på filmen, hvilket får det til at lysne. Holdet bruger derefter et specialbygget mikroskop til at fange denne lysnelse, så de kan visualisere dopaminfrigivelse fra enhver del af neuronen og skabe film for at fange kemikalierne, efterhånden som de frigives og diffunderer ud.

Neurotransmittere, der sender signaler mellem neuroner, frigives typisk fra axoner, den lange kæde, der kommer fra neuronens soma eller cellelegeme. Men nogle neurotransmittere, som dopamin, frigives også fra somaen og dens dendritter - de trælignende strukturer, der udstråler fra den. Mens tidligere forskning har vist, at dopamin frigives fra soma og dendritter, kunne traditionelle metoder ikke give et godt nok overblik over præcis, hvor eller hvordan dette skete.

Traditionelle biosensorer bruger proteiner rettet mod den ydre membran af en neuron, hvilket gør det muligt for forskere kun at observere, hvad der sker på bestemte punkter på cellen. Men Beyenes nanosensor er immobiliseret på tværs af en 2D-overflade, hvilket gør det muligt for den at registrere frigivelsen af ​​neurokemikalier på tværs af en hel neuron. Sensoren udviser også ekstrem følsomhed over for dopamin, hvilket gør det muligt for den at detektere selv den mindste smule kemisk signal, der kommer fra cellerne.

Disse egenskaber gjorde det muligt for holdet at fange frigivelsen af ​​dopamin i hidtil usete detaljer. Den nye teknik gør det muligt for dem at tage billeder i høj opløsning af dopaminfrigivelse fra axoner og for første gang se frigivelsen af ​​denne vigtige neurotransmitter fra specifikke steder på dendritter.

Deres arbejde, rapporteret i et nyt papir offentliggjort i eLife , giver forskerne en mulighed for at tage et nyt kig på dopaminfrigivelsen fra dendritter og antyder, at disse strukturer kan spille en større rolle i hjerneberegninger end tidligere antaget.

"Vi er i stand til at skabe film, hvor vi fanger den fulde rumlige og tidsmæssige udstrækning af kemikalier, efterhånden som de bliver frigivet og diffuse, hvilket aldrig er blevet gjort før. Og så udnyttede vi den evne til at studere den dendritiske frigivelse af dopamin, som har ikke blevet fuldt karakteriseret og godt forstået," siger Beyene.

Mens det nye arbejde besvarer nogle spørgsmål, rejser det også nye, såsom hvorfor nogle dendritter frigiver dopamin, mens andre er tavse, siger Beyene. Han håber, at deres resultater foranlediger nye undersøgelser foretaget af neurovidenskabsmænd til dopaminneuroner i hjernen.

"Fordi de fleste værktøjer kæmper for at give en god måling og visualisering af frigivelse fra dendritter, er den potentielle rolle af dendritisk dopaminfrigivelse i den større beregning, som dopaminneuroner udfører, ikke blevet fuldt ud undersøgt. Forhåbentlig vil denne undersøgelse give forskerne impulser til at tage et andet blik," siger Beyene. + Udforsk yderligere

En kunstig neuron, der kan modtage og frigive dopamin