To se možná brzy změní. Jak uvádějí vědci ze Stanfordu 12. prosince v časopise Light:

Klíčem k novému přístupu, řekl Daniel Palanker, profesor oftalmologie a hlavní autor nového článku, je to, že když neurony vystřelují elektrické signály, jemně mění tvar. Tuto změnu v nanometrovém měřítku lze měřit pomocí optických technik.

Palanker, Tong Ling, postdoktorand a hlavní autor nového článku, a jeho kolegové dosud měřili tyto nepatrné změny tvaru v sítích buněk podobných neuronům v laboratorní misce. Nyní své metody přizpůsobují studiu neuronů v mozcích živých zvířat. Pokud se to osvědčí, mohlo by to vést k přirozenějšímu způsobu studia alespoň některých částí mozku.

„Je to všechno přirozené, žádné chemické značky, žádné elektrody, nic. Jsou to prostě buňky tak, jak jsou,“ řekl Palanker, který je členem Stanford Bio-X a Wu Tsai Neurosciences Institute.

Tvar věcí

Při střelbě neuronů se toho děje hodně. Je tu samozřejmě samotný elektrický signál, který lze zachytit elektrodami. Dochází také k chemickým změnám, které lze detekovat pomocí fluorescenčních molekul, které se při výstřelu neuronu rozsvítí.

A pak je tu tvar. Vědci si poprvé uvědomili, že neurony mění tvar, když před více než 40 lety studovali neurony raků. V roce 1977 tým výzkumníků ze Stanfordu a UCSF odrážel laser od račího neuronu, když střílel, a ukázal, že jeho šířka se změnila zhruba o tloušťku vlákna lidské DNA.

Převedení těchto výsledků do způsobu optického pozorování neuronů střílejících v lidském nebo jiném savčím mozku však narazilo na řadu problémů. Za prvé, račí neurony jsou 10 až 100krát silnější než neurony savců. Za další, technika, kterou původní skupina použila – jednoduchá forma tzv. interferometrie – může měřit změny pouze v jednom bodě najednou, což znamená, že by mohla být použita ke studiu pouze malé oblasti jedné buňky najednou, spíše než k zobrazení celé buňky nebo dokonce sítě neuronů komunikujících mezi sebou v mozku.

Nové světlo na vypalování neuronů

Pro vyřešení některých z těchto problémů se Ling, Palanker a jejich kolegové nejprve obrátili na variaci standardní interferometrie zvanou kvantitativní fázová mikroskopie, která vědcům umožňuje mapovat celé mikroskopické krajiny – například krajinu sítě buněk uspořádaných na skleněné desce. Tato technika je natolik jednoduchá, že ji lze provést tak, že se do těchto buněk prosvítí laserové světlo, projde několika čočkami, filtry a dalšími optickými prvky a filtry a výstup se zaznamená kamerou. Tento obraz pak lze zpracovat a vytvořit topografickou mapu buněk.

Ling, Palanker a tým usoudili, že by tuto techniku mohli použít k měření toho, jak moc neurony mění tvar, když hoří. Aby tuto myšlenku otestovali, vypěstovali na skleněné destičce síť buněk podobných neuronům a pomocí videokamery zaznamenávali, co se děje, když buňky – ve skutečnosti buňky odvozené z ledvin a upravené tak, aby se chovaly spíše jako neurony – vystřelují. Synchronizací videozáznamu s elektrickými záznamy a zprůměrováním několika tisíc příkladů vytvořil tým šablonu, která popisuje, jak se buňky pohybují, když vystřelí: během asi čtyř milisekund se tloušťka buněk zvětší asi o tři nanometry, což je změna zhruba o setinu procenta. Jakmile buňka dosáhne maximální tloušťky, trvá jí zhruba další desetinu sekundy, než se zmenší zpět.

Sledování mozkových buněk při práci

V počáteční fázi experimentu tým potřeboval elektrody, aby zjistil, kdy buňky vystřelují. Ve druhé fázi členové týmu ukázali, že mohou použít svou šablonu k vyhledávání a identifikaci střelby buněk, aniž by se museli spoléhat na elektrody.

Stále však zbývá učinit řadu kroků, než tým bude moci metodu zprovoznit ve skutečných mozcích. Nejprve bude muset tým zajistit, aby technika fungovala na skutečných neuronech, na rozdíl od buněk podobných neuronům, které zkoumali doposud. „Neurony jsou vybíravější,“ řekl Palanker, ale tým už s nimi začal experimentovat.

Druhou výzvou je, že neurony ve skutečných mozcích nejsou uspořádány v jedné vrstvě na skleněné desce, jako byly buňky, které studovala Palankerova laboratoř. Tým zejména nemůže prosvítit mozek laserem a očekávat, že na druhé straně se něco objeví, natož aby se objevily užitečné údaje. Naštěstí, řekl Palanker, techniky, které použili s procházejícím světlem, fungují podobně i ve světle odraženém a většina neuronů odráží dostatek světla, takže by tento přístup měl teoreticky fungovat.

Je tu jedno omezení, které tým pravděpodobně nebude schopen obejít – protože světlo neproniká hluboko do mozku, nová metoda bude moci zkoumat pouze vnější vrstvy. Přesto by pro projekty, které potřebují studovat pouze tyto vrstvy, mohla tato technika poskytnout vědcům čistší a jednodušší způsob studia mozku.

„Obvykle invazivní metody ovlivňují to, co dělají buňky, a proto jsou měření méně spolehlivá,“ řekl Palanker. „Zde se buňkám nic neděje. V podstatě je jen pozorujete, jak se pohybují.“