Az agyi idegsejtek elektromos tevékenységének méréséhez eddig elektródokat kellett szúrni a kísérleti állatok agyába. Mostantól elég lesz nézni az idegsejteket, ahogy felvillannak, és máris követhetjük a gondolat útját.

Olyan lesz, mint egy telefonbeszélgetés

Az agy idegsejtjei villámgyors elektromos impulzusok útján kommunikálnak egymással, s ez a folyamatos idegi párbeszéd teszi lehetővé a viselkedés koordinációját az érzékleteknek, gondolatoknak és érzelmeknek megfelelően.

Forrás: The Register

A cikázó elektromos jelek nyomon követésének hagyományos módja az, hogy a tudósok elektródokat szúrnak a kísérleti állatok agyába, ami nagy precizitást kívánó, munka- és időigényes feladat. A Massachusetts Institute of Technology (Kalifornia, USA) munkatársai most
az agyi elektromos aktivitás mérésének teljesen új módszerét dolgozták ki,
amely reményeik szerint nemcsak jóval egyszerűbb, de informatívabb is lesz.
Ennek ismeretében olyan fehérjét kellett előállítani, amely a sejthártyába beépülve érzékeny fénykibocsátó szenzorként tudósít a membrán feszültségváltozásairól.
A megfelelő fluoreszcens molekula megtalálása azonban kemény diónak bizonyult,
nemcsak mert az ideális jelöltnek nagyon érzékenynek kell lennie a membránpotenciál változásaira, hanem e változásokra gyorsan is kell reagálniuk, s mindeközben ellenállónak kell lenniük a fény okozta fakulás jelenségével szemben is.

Forrás: Live Science

A fluoreszcens molekulák sajátossága az, hogy egy adott hullámhosszon fényt nyelnek el (gerjesztődnek), és ugyanazt a fényt némileg hosszabb hullámhosszon kibocsátják. A legtöbb fluoreszcens molekula azonban – hasonlóan ahhoz, ahogy a textilfestékek a napfénytől idővel megfakulnak – a gerjesztés hatására hamar tönkremegy, és elveszti e sajátos képességét.

Robot irányította fehérjeevolúció

Boyden és munkatársai ezért először arra dolgoztak ki stratégiát, hogy miként találják meg a rengeteg szóba jöhető közül az igényeiknek minden szempontból megfelelő molekulát. Építettek egy laboratóriumi robotot, amely akár sok millió, az irányított fehérjeevolúció módszerével létrehozott fehérjét tud végigvizsgálni a kritikus tulajdonságok szempontjából.

Forrás: Medical News Today

Ez úgy megy, hogy veszel egy gént, aztán annak létrehozod sok milliónyi mutáns változatát, és az így előálló fehérjeváltozatokból kiválasztod a legjobbat"
– vázolta a folyamatot Boyden. – A természetben is így működik az evolúció, de mi ezt most a laborban csináljuk, robotokkal, hogy mielőbb megkapjuk azt a gént, amely megfelel az elvárásainknak." A kutatók első körben nagyjából másfél millió mutáns változatot állítottak elő a QuasAr2 fantázianevű fényérzékeny fehérjéből; az eredetit amúgy szintén az MIT-n, Adam Cohen laboratóriumában hozták létre.

AgyForrás: Asia Science

(A két csoport úgyszólván egymásnak adogatja a labdát, mert Cohenék a QuasAr2-t a Boyden által 2010-ben tervezett Arch fehérjéből alkották meg.) A másfél millió változat mindegyikét sejttenyészetben tartott emlőssejtekbe illesztették, és az így módosított sejtekről egy automata mikroszkóp készített felvételt.
A képek számítógépes értékelésével a robot ki tudta választani a kritériumoknak leginkább megfelelő fehérjeváltozatokat.
A két legfontosabb szempont az volt, hogy a fehérje a sejtmembránban helyezkedjen el, és megvilágítás hatására minél erősebb fényt bocsásson ki.

Vörös színű fényt kibocsátó idegsejtek

A csoport aztán az öt legígéretesebb jelöltből további mutáció útján újabb 8 millió változatot hozott létre. A robot ebből a mezőnyből hetet választott ki, a kutatók pedig a találatok szűkítésével eljutottak az Archon1 névre keresztelt győzteshez.

Forrás: Asia Science

Az Archon1 mindent tud, amit várnak tőle: beépül a sejthártyába, és fényes jelet bocsát ki, amelynek erőssége a membránpotenciáltól függ. Az Archon1 segítségével a kutatóknak sikerült nemcsak egér agyszövetében, hanem zebrahallárvákban és a Coenorhabditis elegans fonalféregben is nyomon követniük az idegsejtek elektromos aktivitását.

Forrás: Polina Shuvaeva

Az utóbbi két organizmus átlátszó, ezért az idegsejtek megvilágítása és a kibocsátott jel észlelése viszonylag egyszerű. Az idegsejteket
narancsvörös fénnyel megvilágítva azok kissé nagyobb hullámhosszú, vörös színű fényt bocsátanak ki,
melynek intenzitása az aktuális membránpotenciál értékének függvénye. A szerzők azt is megmutatják cikkükben, hogy az Archon1 együtt használható a szintén fényérzékeny ún. optogenetikus fehérjékkel, amelyeket az idegélettani kutatásban elterjedten alkalmaznak az idegsejtek stimulálására vagy csendesítésére.

Forrás: dfc.com

A kombinált használat feltétele az, hogy az optogenetikus fehérje fényelnyelése az Archon1-étől eltérő színtartományba essék. Egy elegáns kísérletben a C. elegans egyik idegsejtjét kék fényre érzékeny optogenetikus fehérje segítségével stimulálták, s eközben az Archon1 vörös színe alapján követték azoknak az idegsejteknek a válaszát, amelyek a serkentett neurontól kapták bemenetüket.

Élőben fogjuk nézni az agyi műveleteket

Boyden és munkatársai most a technológia olyan továbbfejlesztésén dolgoznak, amely lehetővé teszi majd az egerek agyi aktivitásának figyelését, miközben az állatok különböző feladatokat oldanak meg. A csoportvezető abban bízik, hogy a módszer révén agyi idegsejthálózatokat térképezhetnek majd fel,
és kideríthetik róluk, miként hozzák létre a különböző viselkedésmintákat.

Forrás: 123RF Stock Photos

„Élőben fogjuk nézni az agyi műveleteket – ígéri Boyden. – Nagyjából öt éven belül néhány kisebb agyi hálózatot teljesen meg kellene tudnunk fejteni. Ezek az eredmények egy lépéssel közelebb visznek majd annak megértéséhez, miből is áll egy gondolat vagy egy érzés."

Forrás: MIT News - Massachusetts Institute of Technology

Eljárásuk lelke egy feszültségérzékeny fénykibocsátó fehérje, amely az idegsejtek membránjába, illesztve az ott tapasztalt feszültségtől függően bocsát ki fluoreszcens fényjelet. A felvillanó fények detektálása ezredmásodperces felbontással lehetővé teszi az egyes idegsejtek tevékenységének megfigyelését az élő és működő agyban.„Amikor elektródot illesztünk az agyba, az olyan, mintha egy telefonbeszélgetést úgy próbálnánk megérteni, hogy csak az egyik beszélgető felet hallgatjuk – magyarázza Edward Boyden, az MIT aggyal és kognitív idegtudománnyal foglalkozó biomérnöke. – Az új módszerrel viszont egy idegi áramkör számos sejtjének aktivitását tudjuk egyszerre rögzíteni, vagyis a beszélgetés valamennyi résztvevőjét hallhatjuk." A Nature Chemical Biology folyóiratban közölt cikk vezető szerzői Kiryl Piatkevich és Erica Jung, Boyden munkacsoportjának fiatal kutatói.

Képalkotó módszer az agyi elektromos tevékenység követésére

Az idegtudósok már jó ideje – legalább két évtizede – próbálkoznak azzal világszerte, hogy az agyi elektromos tevékenységet elektródok helyett képalkotó módszerekkel kövessék.
Az idegsejtek aktivitását hűen tükrözi a sejthártyájuk két oldala között mérhető feszültség:
az ingerületbe jövő idegsejt sejthártyáján át töltött részecskék, ionok áramolnak, ami megváltoztatja a membrán két oldalának töltésviszonyait, s ezzel a membránon eső feszültséget, más néven membránpotenciált.