Det kan snart ændre sig. Som Stanford-forskere rapporterer den 12. december i Light: Science and Applications, har de udviklet en måde at se hjerneceller sende elektriske signaler ved hjælp af kun lys, et par linser og andre optiske elementer og et hurtigt videokamera.
Nøglen til den nye metode, siger Daniel Palanker, professor i oftalmologi og seniorforfatter på den nye artikel, er, at når neuroner affyrer elektriske signaler, ændrer de subtilt form. Denne ændring i nanometerstørrelse kan måles ved hjælp af optiske teknikker.
Hertil har Palanker, Tong Ling, der er postdoc og hovedforfatter på den nye artikel, og kolleger hidtil målt disse miniscule formændringer i netværk af neuronlignende celler i en skål i et laboratorium. De er nu ved at tilpasse deres metoder til at studere neuroner i hjerner fra levende dyr. Hvis det lykkes, kan det føre til en mere naturlig måde at studere i det mindste nogle dele af hjernen på.
“Det er helt naturligt, ingen kemiske markører, ingen elektroder, ingenting. Det er bare celler, som de er,” sagde Palanker, der er medlem af Stanford Bio-X og Wu Tsai Neurosciences Institute.
Den form af ting
Der sker meget, når neuroner affyres. Der er naturligvis selve det elektriske signal, som kan opfanges af elektroder. Der er også kemiske ændringer, som kan registreres ved hjælp af fluorescerende molekyler, der lyser op, når et neuron affyres.
Og så er der formen. Forskerne indså først, at neuroner ændrer form ved at studere krebsens neuroner for mere end 40 år siden. I 1977 kastede et hold af Stanford- og UCSF-forskere en laser mod en krebseneuron, mens den affyrede, og viste, at dens bredde ændrede sig med omtrent samme tykkelse som en streng af menneskelig DNA.
Men at omsætte disse resultater til en måde at observere neuroner, der affyres i menneskers eller andre pattedyrs hjerner, på optisk vis stod over for en række udfordringer. For det første er krebsens neuroner 10 til 100 gange tykkere end pattedyrs neuroner. For det andet kan den teknik, som den oprindelige gruppe brugte – en simpel form for det, der kaldes interferometri – kun måle ændringer i et enkelt punkt ad gangen, hvilket betyder, at den kun kan bruges til at studere et lille område af en celle ad gangen, i stedet for at afbilde hele cellen eller endog et netværk af neuroner, der kommunikerer med hinanden i hjernen.
Skinner nyt lys på neuronafbrænding
For at løse nogle af disse problemer vendte Ling, Palanker og kolleger sig først mod en variation af standardinterferometri kaldet kvantitativ fasemikroskopi, som giver forskerne mulighed for at kortlægge hele mikroskopiske landskaber – f.eks. landskabet i et netværk af celler arrangeret på en glasplade. Teknikken er så enkel, at den kan udføres ved at lyse laserlys gennem disse celler, lade det passere gennem et par linser, filtre og andre optiske elementer og filtre og optage resultatet med et kamera. Dette billede kan derefter behandles for at skabe et topografisk kort over cellerne.
Ling, Palanker og holdet ræsonnerede, at de kunne bruge teknikken til at måle, hvor meget neuroner ændrer form, når de affyres. For at afprøve ideen dyrkede de et netværk af neuronlignende celler på en glasplade og brugte et videokamera til at optage, hvad der skete, når cellerne – i virkeligheden celler fra nyrerne, der er modificeret til at opføre sig mere som neuroner – affyrede sig. Ved at synkronisere videoen med elektriske optagelser og beregne et gennemsnit over flere tusinde eksempler skabte holdet en skabelon, der beskriver, hvordan cellerne bevæger sig, når de affyres: I løbet af ca. fire millisekunder øges celletykkelsen med ca. tre nanometer, en ændring på omkring en hundrededel af 1 procent. Når den har nået maksimal tykkelse, tager cellen omkring endnu en tiendedel af et sekund om at krympe ned igen.
Se hjernecellerne på arbejde
I den indledende fase af eksperimentet havde holdet brug for elektroder for at finde ud af, hvornår cellerne affyrede sig. I den anden fase viste holdets medlemmer, at de kunne bruge deres skabelon til at søge efter og identificere cellefyring uden at være afhængige af elektroder.
Der er stadig en række skridt, der skal tages, før holdet kan få metoden til at fungere i rigtige hjerner. For det første skal holdet få teknikken til at fungere i rigtige neuroner i modsætning til de neuronlignende celler, som de har kigget på indtil nu. “Neuroner er mere kræsne,” sagde Palanker, men holdet er allerede begyndt at eksperimentere med dem.
En anden udfordring er, at neuroner i rigtige hjerner ikke er anbragt i et enkelt lag på en glasplade, som de celler, Palankers laboratorium undersøgte. Især kan holdet ikke skinne lasere gennem hjernen og forvente at se meget af noget komme ud på den anden side, endsige nyttige data. Heldigvis, sagde Palanker, fungerer de teknikker, de brugte med transmitteret lys, på samme måde med reflekteret lys, og de fleste neuroner reflekterer nok lys til, at metoden i teorien burde virke.
Der er en begrænsning, som holdet sandsynligvis ikke vil kunne komme udenom – da lys ikke trænger dybt ind i hjernen, vil den nye metode kun kunne undersøge de ydre lag. Men for projekter, der kun skal undersøge disse lag, kan teknikken alligevel give forskerne en renere og enklere måde at undersøge hjernen på.
“Normalt påvirker invasive metoder det, som cellerne gør, og gør derfor målingerne mindre pålidelige,” siger Palanker. “Her gør man ikke noget ved cellerne. Man ser dem stort set bare bevæge sig.”