To może się wkrótce zmienić. Jak donoszą naukowcy z Stanford 12 grudnia w Light: Science and Applications, opracowali sposób oglądania komórek mózgowych wysyłających sygnały elektryczne przy użyciu tylko światła, kilku soczewek i innych elementów optycznych oraz szybkiej kamery wideo.

Kluczem do nowego podejścia, powiedział Daniel Palanker, profesor okulistyki i starszy autor w nowym artykule, jest to, że kiedy neurony wystrzeliwują sygnały elektryczne, subtelnie zmieniają kształt. Ta zmiana w skali nanometrowej może być mierzona za pomocą technik optycznych.

Do tej pory Palanker, Tong Ling, stypendysta podoktorancki i główny autor nowej pracy, i współpracownicy mierzyli te drobne zmiany kształtu w sieciach neuronopodobnych komórek w naczyniu laboratoryjnym. Teraz dostosowują swoje metody do badania neuronów w mózgach żywych zwierząt. Jeśli to zadziała, może to prowadzić do bardziej naturalnego sposobu badania przynajmniej niektórych części mózgu.

„To wszystko jest naturalne, bez markerów chemicznych, bez elektrod, nic. To tylko komórki takie, jakie są”, powiedział Palanker, który jest członkiem Stanford Bio-X i Wu Tsai Neurosciences Institute.

Kształt rzeczy

Wiele się dzieje, gdy neurony strzelają. Jest oczywiście sam sygnał elektryczny, który może być odbierany przez elektrody. Są też zmiany chemiczne, które można wykryć za pomocą cząsteczek fluorescencyjnych, które świecą, gdy neuron się zapala.

A potem jest kształt. Naukowcy po raz pierwszy zdali sobie sprawę, że neurony zmieniają kształt, badając neurony raków ponad 40 lat temu. W 1977 roku zespół naukowców ze Stanford i UCSF odbił laser od neuronu rakowego, gdy ten wystrzelił, i pokazał, że jego szerokość zmieniła się mniej więcej o grubość nici ludzkiego DNA.

Przekładając te wyniki na sposób optycznego obserwowania neuronów wystrzeliwanych w mózgach ludzi lub innych ssaków, napotkano wiele wyzwań. Po pierwsze, neurony raków są od 10 do 100 razy grubsze niż neurony ssaków. Po drugie, technika, której użyła oryginalna grupa – prosta forma tego, co nazywa się interferometrią – może mierzyć zmiany tylko w jednym punkcie na raz, co oznacza, że może być użyta do badania tylko małego obszaru jednej komórki na raz, a nie do obrazowania całej komórki lub nawet sieci neuronów komunikujących się ze sobą w mózgu.

Ling, Palanker i zespół rozumowali, że mogą wykorzystać tę technikę do pomiaru, jak bardzo neurony zmieniają kształt, kiedy się zapalają. Aby przetestować ten pomysł, wyhodowali sieć neuronopodobnych komórek na szklanej płytce i użyli kamery wideo, aby nagrać, co się stało, gdy komórki – w rzeczywistości komórki pochodzące z nerki, zmodyfikowane tak, aby zachowywały się bardziej jak neurony – wystrzeliły. Synchronizując nagranie wideo z zapisem elektrycznym i uśredniając kilka tysięcy przykładów, zespół stworzył szablon, który opisuje, jak komórki poruszają się, kiedy strzelają: w ciągu około czterech milisekund grubość komórki zwiększa się o około trzy nanometry, co stanowi zmianę o mniej więcej jedną setną procenta. Po osiągnięciu maksymalnej grubości, komórka zajmuje około kolejnej dziesiątej części sekundy, aby skurczyć się z powrotem w dół.

Obserwowanie komórek mózgowych w pracy

W początkowej fazie eksperymentu, zespół potrzebował elektrod, aby dowiedzieć się, kiedy komórki wystrzeliły. W drugiej fazie, członkowie zespołu pokazali, że mogą wykorzystać swój szablon do wyszukiwania i identyfikacji odpalania komórek bez polegania na elektrodach.

Jeszcze kilka kroków do podjęcia, zanim zespół będzie mógł sprawić, że metoda będzie działać w prawdziwych mózgach. Po pierwsze, zespół będzie musiał sprawić, by technika działała w rzeczywistych neuronach, w przeciwieństwie do komórek przypominających neurony, na które patrzyli do tej pory. „Neurony są bardziej delikatne,” powiedział Palanker, ale zespół już zaczął z nimi eksperymentować.

Drugim wyzwaniem jest to, że neurony w prawdziwych mózgach nie są ułożone w jednej warstwie na szklanej płytce, tak jak komórki badane przez laboratorium Palankera. W szczególności, zespół nie może świecić laserem przez mózg i oczekiwać, że zobaczy wiele z tego, co wyjdzie po drugiej stronie, nie mówiąc już o użytecznych danych. Na szczęście, Palanker powiedział, że techniki, których użyli w świetle przechodzącym działają podobnie w świetle odbitym, a większość neuronów odbija wystarczająco dużo światła, że podejście to powinno teoretycznie działać.

Jest jedno ograniczenie, którego zespół prawdopodobnie nie będzie w stanie obejść — ponieważ światło nie przenika głęboko do mózgu, nowa metoda będzie w stanie zbadać tylko zewnętrzne warstwy. Mimo to, dla projektów, które wymagają badania tylko tych warstw, technika ta może dać naukowcom czystszy, prostszy sposób badania mózgu.

„Zazwyczaj metody inwazyjne wpływają na to, co robią komórki, przez co pomiary stają się mniej wiarygodne,” powiedział Palanker. „Tutaj nie robi się nic z komórkami. W zasadzie tylko obserwujesz ich ruch.”

.