Целенаправленный подход к визуализации нейронной активности головного мозга

Когда нейроны генерируют электрический импульс, они также испытывают выброс ионов кальция. Измеряя эти выбросы, исследователи могут косвенно отслеживать активность нейронов, помогая им изучить роль отдельных нейронов во многих различных функциях мозга.

Один из недостатков этого метода – перекрестные помехи, создаваемые аксонами и дендритами, которые исходят от соседних нейронов, что затрудняет получение отличительного сигнала от исследуемого нейрона. Инженеры Массачусетского технологического института разработали способ решения этой проблемы, создав индикаторы кальция или датчики, которые накапливаются только в теле нейрона.

«Люди используют кальциевые индикаторы для мониторинга нейронной активности во многих частях мозга», – говорит Эдвард Бойден, профессор нейротехнологии Y. Eva Tan и профессор биологической инженерии, мозговых и когнитивных наук в Массачусетском технологическом институте. «Теперь они могут получать лучшие результаты, получая более точные нейронные записи, которые меньше подвержены перекрестным помехам».

Для этого исследователи объединили обычно используемый индикатор кальция под названием GCaMP с коротким пептидом, который направляет его в тело клетки. Исследователи говорят, что новую молекулу, которую исследователи называют SomaGCaMP, можно легко включить в существующие рабочие процессы для визуализации кальция.

Бойден – старший автор исследования, которое сегодня публикуется в Neuron . Ведущими авторами статьи являются научный сотрудник Ор Шемеш, постдок Чанъян Линху и бывший постдок Кирилл Пяткевич.

Молекулярный фокус

Индикатор кальция GCaMP состоит из флуоресцентного белка, прикрепленного к кальций-связывающему белку, называемому кальмодулином, и кальмодулин-связывающему белку, называемому пептидом M13. GCaMP флуоресцирует, когда он связывается с ионами кальция в головном мозге, что позволяет исследователям косвенно измерять активность нейронов .

«Кальций легко визуализировать, потому что его концентрация в клетке меняется от очень низкой до очень высокой, когда нейрон активен», – говорит Бойден, который также является членом Института исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте, лаборатории мультимедиа и Кох Институт интегративных исследований рака.

Самый простой способ обнаружить эти флуоресцентные сигналы – это визуализация, называемая однофотонной микроскопией. Это относительно недорогой метод, позволяющий получать изображения больших образцов мозга с высокой скоростью, но недостатком является то, что он улавливает перекрестные помехи между соседними нейронами. GCaMP проникает во все части нейрона, поэтому сигналы от аксонов одного нейрона могут выглядеть так, как будто они исходят от тела соседней клетки, что делает сигнал менее точным.

Более дорогостоящий метод, называемый двухфотонной микроскопией, может частично преодолеть это за счет очень узкой фокусировки света на отдельных нейронах, но этот подход требует специального оборудования и работает медленнее.

Кредит: Unsplash / CC0 Public Domain
Лаборатория Бойдена решила использовать другой подход, изменив сам индикатор, а не оборудование для визуализации.

«Мы думали, вместо того, чтобы фокусировать свет оптически, а что, если бы мы сфокусировали индикатор на молекулярном уровне?» он говорит. «Многие люди используют оборудование, такое как двухфотонные микроскопы, чтобы очистить изображение. Мы пытаемся создать молекулярную версию того, что другие люди делают с оборудованием».

В соответствующей статье, опубликованной в прошлом году, Бойден и его коллеги использовали аналогичный подход для уменьшения перекрестных помех между флуоресцентными зондами, которые непосредственно отображают напряжение мембраны нейронов. Параллельно они решили попробовать аналогичный подход с визуализацией кальция, которая является гораздо более широко используемой техникой.

Чтобы нацелить GCaMP исключительно на клеточные тела нейронов, исследователи попытались объединить GCaMP со многими различными белками. Они исследовали два типа кандидатов – природные белки, которые, как известно, накапливаются в теле клетки, и пептиды, созданные человеком, – работая с профессором биологии Массачусетского технологического института Эми Китинг, которая также является автором статьи. Эти синтетические белки представляют собой спиральные белки, которые имеют отличительную структуру, в которой несколько спиралей белков скручиваются вместе.

Меньше перекрестных помех

Исследователи проверили около 30 кандидатов в нейронах, выращенных в лабораторных чашках, а затем выбрали двух – одну искусственную спиральную спираль и один природный пептид – для тестирования на животных. Работая с Мишей Аренсом, который изучает рыбок данио в исследовательском кампусе Janelia, они обнаружили, что оба белка предлагают значительные улучшения по сравнению с исходной версией GCaMP. Отношение сигнал / шум – показатель силы сигнала по сравнению с фоновой активностью – увеличилось, а активность между соседними нейронами показала меньшую корреляцию.

В исследованиях на мышах, проведенных в лаборатории Сюэ Хана в Бостонском университете, исследователи также обнаружили, что новые индикаторы уменьшают корреляцию между активностью соседних нейронов . Дополнительные исследования с использованием миниатюрного микроскопа (так называемого микроэндоскопа), проведенные в лаборатории Кей Тай в Институте биологических исследований Солка, показали значительное увеличение отношения сигнал / шум с новыми индикаторами.

«Наш новый индикатор делает сигналы более точными. Это говорит о том, что сигналы, которые люди измеряют с помощью обычного GCaMP, могут включать перекрестные помехи», – говорит Бойден. «Есть возможность искусственной синхронизации между клетками».

Во всех исследованиях на животных они обнаружили, что искусственный белок спиральной спирали дает более яркий сигнал, чем природный пептид, который они тестировали. Бойден говорит, что непонятно, почему белки спиральной спирали работают так хорошо, но одна из возможностей заключается в том, что они связываются друг с другом, что снижает вероятность их перемещения очень далеко внутри клетки.

Бойден надеется использовать новые молекулы, чтобы попытаться отобразить весь мозг мелких животных, таких как черви и рыбы, и его лаборатория также делает новые индикаторы доступными для всех исследователей, которые хотят их использовать.

«Это должно быть очень легко реализовать, и на самом деле многие группы уже используют его», – говорит Бойден. «Они могут просто использовать обычные микроскопы, которые они уже используют для визуализации кальция, но вместо использования обычной молекулы GCaMP они могут заменить нашу новую версию».

услуги нутрициологаАвтор сайта и статей: Наталья Степанова, нутрициолог-психолог, консультант по питанию и коррекции веса. Подробнее обо мне

Я в соц. сетях: Vk, Instagram.

Рейтинг
Еще статьи нутрициолога:
Adblock
detector