それがすぐに変わるかもしれない。 スタンフォード大学の研究者たちが、12月12日付のLight誌で報告しているように。 この新しいアプローチの鍵は、神経細胞が電気信号を発すると、微妙に形状が変化することだと、眼科学の教授であり、新しい論文の主執筆者である Daniel Palanker 氏は述べています。
これまで、Palanker氏と、博士研究員で本論文の主執筆者であるTong Ling氏らは、実験皿の中のニューロン様細胞のネットワークにおける、この極小の形状変化を測定しています。 研究チームは現在、この方法を生きた動物の脳内のニューロンの研究に応用しようとしている。 もしこれがうまくいけば、少なくとも脳の一部の研究において、より自然な方法につながるかもしれません」
「化学マーカーも電極も何もない、すべて自然な方法です。 と、スタンフォード大学バイオXおよびウーツァイ神経科学研究所のメンバーであるパランカー氏は語りました。 もちろん、電気信号そのものもありますし、電極で拾うこともできます。 また、化学変化もあります。これは、ニューロンが発火すると光る蛍光分子を使って検出することができます。 研究者たちは、40年以上前にザリガニの神経細胞を研究することで、神経細胞が形を変えることに初めて気づきました。 1977年、スタンフォード大学とカリフォルニア大学サンフランシスコ校の研究者チームは、発火したザリガニのニューロンにレーザーを照射したところ、その幅が人間のDNAの鎖の太さとほぼ同じだけ変化することを示しました。
しかしこの結果を、ヒトやその他の哺乳類の脳で発火するニューロンを光学的に観察する方法に変換するには、多くの課題に直面しました。 ひとつは、ザリガニの神経細胞は哺乳類の神経細胞の10倍から100倍も太いということです。 つまり、細胞全体や、脳内で互いに通信している神経細胞のネットワークをイメージングするのではなく、一度に1つの細胞の小さな領域のみを研究するために使用することができるのです。
ニューロンの発火に新しい光を当てる
これらの問題のいくつかを解決するために、Ling氏とPalanker氏らはまず、定量位相顕微鏡法という、顕微鏡の風景全体、たとえばガラス板上に配列した細胞のネットワークの風景をマッピングできる標準干渉計の変形に目を向けました。 この技術はとてもシンプルで、レーザー光をこれらの細胞に照射し、いくつかのレンズやフィルターなどの光学素子やフィルターを通過させ、その出力をカメラで記録することで実現できます。 その画像を処理して、細胞の地形図を作成することができる。
Ling と Palanker の研究チームは、この技術を使用して、ニューロンが発火するときにどれだけ形状が変化するかを測定できると推論した。 このアイデアを検証するため、研究チームはガラス板上でニューロン様細胞のネットワークを成長させ、ビデオカメラを使って、ニューロン様の振る舞いをするように改良した腎臓由来の細胞が発火したときの様子を記録した。 このビデオと電気的記録を同期させ、数千の例を平均化することによって、研究チームは、発火したときの細胞の動きを説明するテンプレートを作成した。 最大厚さに達すると、細胞はさらに10分の1秒かけて収縮します。
Watching brain cells at work
実験の初期段階では、チームが細胞がいつ発火するかを知るために電極を必要としていました。 第2段階では、電極に頼ることなく、テンプレートを使って細胞の発火を検索し、識別できることを示した。 まず、研究チームは、これまで見てきたニューロン様の細胞とは対照的に、実際のニューロンでこの技術を機能させる必要がある。 「ニューロンはより繊細です」とPalanker氏は言うが、研究チームはすでに実験を開始している。
第2の課題は、実際の脳のニューロンは、Palanker氏の研究室で研究した細胞のように、ガラス板上に単層に配列していないことである。 特に、脳にレーザーを照射しても、有用なデータはおろか、反対側から出てくるものもあまり期待できない。 幸い、透過光で使用した技術は反射光でも同様に機能し、ほとんどのニューロンは十分な光を反射するので、この方法は理論的には機能するはずだとPalanker氏は述べた。 それでも、これらの層のみを研究する必要があるプロジェクトでは、この技術は研究者に、よりクリーンでシンプルな脳研究の方法を提供することができます。
「通常、侵襲的な方法は、細胞の活動に影響を与え、その結果、測定の信頼性が低くなります」と、パランカー氏は述べています。 「この方法では、細胞には何もしません。 基本的には、細胞が動くのを見るだけです」
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