Se saattaa pian muuttua. Kuten Stanfordin tutkijat raportoivat 12. joulukuuta Light: Science and Applications, he ovat kehittäneet tavan seurata aivosolujen sähköisten signaalien lähettämistä pelkällä valolla, muutamalla linssillä ja muilla optisilla elementeillä sekä nopealla videokameralla.

Uuden lähestymistavan avain on se, että kun neuronit laukaisevat sähköisiä signaaleja, ne muuttavat hienovaraisesti muotoaan.

Sanoi silmätieteen professori Daniel Palanker, joka on uuden artikkelin vanhempi kirjoittaja. Tätä nanometrin mittakaavan muutosta voidaan mitata optisilla tekniikoilla.

Tähän mennessä Palanker, Tong Ling, tohtorikoulutettava ja uuden artikkelin pääkirjoittaja, ja hänen kollegansa ovat mitanneet näitä pikkuruisia muodonmuutoksia hermosolujen kaltaisten solujen verkostoissa laboratorioastiassa. Nyt he muokkaavat menetelmiään tutkimaan neuroneja elävien eläinten aivoissa. Jos se onnistuu, se voisi johtaa luonnollisempaan tapaan tutkia ainakin joitakin aivojen osia.

”Se on täysin luonnollista, ei kemiallisia merkkiaineita, ei elektrodeja, ei mitään. Se on vain soluja sellaisina kuin ne ovat”, sanoi Palanker, joka on Stanford Bio-X:n ja Wu Tsai Neurosciences Institute -instituutin jäsen.

Tavaroiden muoto

Neuronien lauetessa tapahtuu paljon. On tietysti itse sähköinen signaali, jonka elektrodit voivat poimia. On myös kemiallisia muutoksia, jotka voidaan havaita fluoresoivien molekyylien avulla, jotka syttyvät, kun neuroni syttyy.

Ja sitten on vielä muoto. Tutkijat tajusivat ensimmäisen kerran, että neuronit muuttavat muotoaan tutkimalla ravun neuroneja yli 40 vuotta sitten. Vuonna 1977 Stanfordin ja UCSF:n tutkijaryhmä heijasti laseria ravun neuroniin, kun se laukesi, ja osoitti, että sen leveys muuttui suunnilleen ihmisen DNA-juosteen paksuuden verran.

Mutta noiden tulosten muuntaminen tavaksi havainnoida optisesti neuronien laukeamista ihmisen tai muiden nisäkkäiden aivoissa kohtasi useita haasteita. Ensinnäkin ravun neuronit ovat 10-100 kertaa paksumpia kuin nisäkkäiden neuronit. Toiseksi alkuperäisen ryhmän käyttämä tekniikka – yksinkertainen interferometriaksi kutsuttu tekniikka – voi mitata muutoksia vain yhdessä pisteessä kerrallaan, mikä tarkoittaa, että sillä voidaan tutkia vain pientä aluetta yhdestä solusta kerrallaan sen sijaan, että kuvattaisiin koko solua tai jopa aivoissa toistensa kanssa kommunikoivien neuronien verkostoa.

Shining new light on neuron firing

Joidenkin näiden ongelmien ratkaisemiseksi Ling, Palanker ja kollegat kääntyivät ensin tavanomaisen interferometrian muunnelmaan, jota kutsutaan kvantitatiiviseksi faasimikroskopiaksi ja jonka avulla tutkijat pystyvät kartoittamaan kokonaisia mikroskooppisia maisemia – esimerkiksi lasilevylle asetettujen solujen verkoston maisemaa. Tekniikka on niin yksinkertainen, että se voidaan toteuttaa säteilemällä laservaloa näiden solujen läpi, johtamalla se muutaman linssin, suodattimen ja muiden optisten elementtien ja suodattimien läpi ja tallentamalla tulos kameralla. Tätä kuvaa voidaan sitten käsitellä solujen topografisen kartan luomiseksi.

Ling, Palanker ja työryhmä päättelivät, että he voisivat käyttää tekniikkaa mittaamaan, kuinka paljon neuronien muoto muuttuu, kun ne laukeavat. Ajatuksen testaamiseksi he kasvattivat lasilevylle hermosolujen kaltaisten solujen verkon ja käyttivät videokameraa tallentaakseen, mitä tapahtui, kun solut – itse asiassa munuaisperäiset solut, jotka oli muunnettu käyttäytymään enemmän kuin hermosolut – laukesivat. Synkronoimalla videokuvaa sähköisten tallenteiden kanssa ja laskemalla keskiarvon useista tuhansista esimerkeistä ryhmä loi mallin, joka kuvaa, miten solut liikkuvat, kun ne laukeavat: noin neljän millisekunnin aikana solujen paksuus kasvaa noin kolme nanometriä, mikä on noin yhden prosentin sadasosan muutos. Saavutettuaan maksimipaksuuden solulla kestää vielä noin sekunnin kymmenesosa kutistua takaisin alaspäin.

Aivosolujen tarkkailu työssään

Kokeen alkuvaiheessa tiimi tarvitsi elektrodeja saadakseen selville, milloin solut laukeavat. Toisessa vaiheessa tiimin jäsenet osoittivat, että he pystyivät mallinsa avulla etsimään ja tunnistamaan solujen laukeamisen turvautumatta elektrodeihin.

Siltikin on vielä useita vaiheita jäljellä, ennen kuin tiimi voi saada menetelmän toimimaan oikeissa aivoissa. Ensinnäkin ryhmän on saatava tekniikka toimimaan todellisissa neuroneissa, toisin kuin neuronien kaltaisissa soluissa, joita he ovat tähän mennessä tarkastelleet. ”Neuronit ovat hankalampia”, Palanker sanoi, mutta ryhmä on jo aloittanut kokeilut niillä.

Toisena haasteena on se, että oikeiden aivojen neuronit eivät ole järjestäytyneet yhdeksi kerrokseksi lasilevylle, kuten Palankerin laboratorion tutkimat solut olivat. Erityisesti ryhmä ei voi sädettää lasereita aivojen läpi ja odottaa näkevänsä paljoakaan mitään, saati sitten hyödyllistä tietoa. Onneksi Palankerin mukaan tekniikat, joita he käyttivät läpäisevän valon kanssa, toimivat samalla tavalla heijastuvassa valossa, ja useimmat neuronit heijastavat riittävästi valoa, joten lähestymistavan pitäisi teoriassa toimia.

On yksi rajoitus, jota tutkimusryhmä ei luultavasti pysty kiertämään – koska valo ei tunkeudu syvälle aivoihin, uudella menetelmällä voidaan tutkia vain uloimpia kerroksia. Silti hankkeissa, joissa on tutkittava vain näitä kerroksia, tekniikka voisi antaa tutkijoille puhtaamman ja yksinkertaisemman tavan tutkia aivoja.

”Yleensä invasiiviset menetelmät vaikuttavat siihen, mitä solut tekevät, mikä tekee mittauksista vähemmän luotettavia”, Palanker sanoi. ”Tässä ei tehdä soluille mitään. Periaatteessa vain katselet, miten ne liikkuvat.”