Ez hamarosan megváltozhat. Amint arról a Stanford kutatói december 12-én a Light: Science and Applications, kifejlesztettek egy olyan módszert, amellyel csak fény, néhány lencse és más optikai elem, valamint egy gyors videokamera segítségével lehet megfigyelni az agysejtek elektromos jeleit.

Az új megközelítés kulcsa, mondta Daniel Palanker, a szemészet professzora és az új tanulmány vezető szerzője, az, hogy amikor az idegsejtek elektromos jeleket küldenek, finoman megváltoztatják alakjukat. Ez a nanométeres méretű változás optikai technikákkal mérhető.

Palanker, Tong Ling, posztdoktori ösztöndíjas és az új tanulmány vezető szerzője, valamint kollégái eddig ezeket a parányi alakváltozásokat mérték neuronszerű sejtek hálózataiban egy laboratóriumi edényben. Most adaptálják módszereiket az élő állatok agyában lévő neuronok vizsgálatára. Ha ez beválik, akkor ez az agy legalább bizonyos részeinek tanulmányozására egy természetesebb módot jelenthet.

“Ez teljesen természetes, nincsenek kémiai markerek, nincsenek elektródák, semmi. Csak a sejtek, ahogy vannak” – mondta Palanker, aki a Stanford Bio-X és a Wu Tsai Idegtudományi Intézet tagja.

A dolgok alakja

A neuronok tüzelésekor sok minden történik. Ott van persze maga az elektromos jel, amelyet elektródákkal lehet felfogni. Vannak kémiai változások is, amelyeket fluoreszcens molekulák segítségével lehet kimutatni, amelyek világítanak, amikor egy neuron tüzel.

És aztán ott van az alak. A kutatók több mint 40 évvel ezelőtt a rákok neuronjainak tanulmányozásával jöttek rá először, hogy a neuronok változtatják az alakjukat. 1977-ben egy stanfordi és UCSF kutatócsoport egy lézerrel visszaverte a rák neuronját, amikor az tüzelni kezdett, és kimutatta, hogy a szélessége nagyjából egy emberi DNS-szál vastagságával változott.

Az eredmények átültetése az emberi vagy más emlősök agyában tüzelő neuronok optikai megfigyelésére azonban számos kihívással nézett szembe. Egyrészt a rákok neuronjai 10-100-szor vastagabbak, mint az emlősök neuronjai. Másrészt az eredeti csoport által használt technika – az úgynevezett interferometria egy egyszerű formája – egyszerre csak egyetlen pont változását képes mérni, ami azt jelenti, hogy egyszerre csak egy sejt egy kis területének vizsgálatára használható, nem pedig az egész sejt vagy akár az agyban egymással kommunikáló neuronhálózat leképezésére.

Új megvilágításba helyezve a neuronok tüzelését

Az említett problémák egy részének megoldására Ling, Palanker és munkatársai először a standard interferometria egy variációjához, a kvantitatív fázismikroszkópiához fordultak, amely lehetővé teszi a kutatók számára, hogy egész mikroszkopikus tájképeket – például egy üveglapon elhelyezett sejtek hálózatának tájképét – térképezzék fel. A technika elég egyszerű ahhoz, hogy a lézerfényt ezeken a sejteken átvilágítva, néhány lencsén, szűrőn és egyéb optikai elemen és szűrőn átvezetve, majd a kimenetet kamerával rögzítve elvégezhető legyen. Ezt a képet aztán fel lehet dolgozni, hogy létrehozzák a sejtek topográfiai térképét.

Ling, Palanker és a csapat arra gondolt, hogy a technikával meg tudják mérni, mennyit változik az idegsejtek alakja, amikor tüzelnek. Az ötlet teszteléséhez neuronszerű sejtek hálózatát növesztették egy üveglapon, és videokamerával rögzítették, hogy mi történik, amikor a sejtek – valójában veséből származó sejtek, amelyeket úgy módosítottak, hogy inkább neuronokhoz hasonlóan viselkedjenek – tüzelnek. A videót az elektromos felvételekkel szinkronizálva és több ezer példán keresztül átlagolva a csapat létrehozott egy sablont, amely leírja, hogyan mozognak a sejtek, amikor tüzelnek: körülbelül négy milliszekundum alatt a sejtek vastagsága körülbelül három nanométerrel nő, ami nagyjából 1 százalék százaléka a változásnak. Miután elérte a maximális vastagságot, a sejtnek még körülbelül egy tizedmásodpercre van szüksége, hogy visszazsugorodjon.

Agysejtek megfigyelése munka közben

A kísérlet kezdeti szakaszában a csapatnak elektródákra volt szüksége, hogy kiderítse, mikor tüzelnek a sejtek. A második fázisban a csapat tagjai megmutatták, hogy a sablonjuk segítségével elektródákra való támaszkodás nélkül is meg tudják keresni és azonosítani a sejtek tüzelését.

Még mindig számos lépést kell megtenni ahhoz, hogy a csapat valódi agyakban is működőképessé tegye a módszert. Először is a csapatnak el kell érnie, hogy a technika valódi neuronokban működjön, szemben az eddig vizsgált neuronszerű sejtekkel. “A neuronok kényesebbek” – mondta Palanker, de a csapat már elkezdett kísérletezni velük.

A második kihívás az, hogy a valódi agyakban a neuronok nem egyetlen rétegben helyezkednek el egy üveglapon, mint a Palanker laboratóriumában vizsgált sejtek. Különösen, a csapat nem tud lézerrel átvilágítani az agyon, és nem várhatja, hogy a másik oldalon bármi is kijöjjön, nemhogy hasznos adatok. Szerencsére, mondta Palanker, az általuk használt technikák az áteresztett fénynél hasonlóan működnek a visszavert fénynél is, és a legtöbb idegsejt elég fényt ver vissza ahhoz, hogy a megközelítés elméletileg működjön.

Van egy korlátozás, amit a csapat valószínűleg nem fog tudni megkerülni – mivel a fény nem hatol mélyen az agyba, az új módszer csak a külső rétegeket fogja tudni megvizsgálni. Mégis, olyan projektek esetében, amelyeknek csak ezeket a rétegeket kell vizsgálniuk, a technika tisztább, egyszerűbb módot adhat a kutatóknak az agy tanulmányozására.

“Általában az invazív módszerek befolyásolják azt, amit a sejtek csinálnak, ezért a mérések kevésbé megbízhatóak” – mondta Palanker. “Itt nem teszünk semmit a sejtekkel. Alapvetően csak figyeled, ahogy mozognak.”