Acest lucru s-ar putea schimba în curând. După cum raportează cercetătorii de la Stanford la 12 decembrie în Light: Science and Applications, aceștia au dezvoltat o modalitate de a urmări celulele creierului care trimit semnale electrice folosind doar lumină, câteva lentile și alte elemente optice, precum și o cameră video rapidă.

Cheia noii abordări, a declarat Daniel Palanker, profesor de oftalmologie și autor principal al noii lucrări, este că atunci când neuronii emit semnale electrice, aceștia își schimbă subtil forma. Această schimbare la scară nanometrică poate fi măsurată cu ajutorul tehnicilor optice.

Până în prezent, Palanker, Tong Ling, un bursier postdoctoral și autorul principal al noii lucrări, și colegii săi au măsurat aceste modificări minuscule de formă în rețele de celule asemănătoare neuronilor într-un vas de laborator. Ei își adaptează acum metodele pentru a studia neuronii din creierul animalelor vii. Dacă acest lucru funcționează, ar putea duce la un mod mai natural de a studia cel puțin unele părți ale creierului.

„Este totul natural, fără markeri chimici, fără electrozi, fără nimic. Sunt doar celule așa cum sunt”, a spus Palanker, care este membru al Stanford Bio-X și al Wu Tsai Neurosciences Institute.

Forma lucrurilor

Se întâmplă multe lucruri atunci când neuronii se aprind. Există, bineînțeles, semnalul electric în sine, care poate fi captat de electrozi. Există, de asemenea, schimbări chimice, care pot fi detectate cu ajutorul moleculelor fluorescente care se aprind atunci când un neuron se aprinde.

Și mai există și forma. Cercetătorii și-au dat seama pentru prima dată că neuronii își schimbă forma studiind neuronii racilor în urmă cu mai bine de 40 de ani. În 1977, o echipă de cercetători de la Stanford și UCSF a ricoșat un laser pe un neuron de rac în timp ce acesta trăgea și a arătat că lățimea acestuia s-a modificat cu aproximativ grosimea unui fir de ADN uman.

Dar transpunerea acestor rezultate într-o modalitate de observare optică a neuronilor care trag în creierul uman sau al altor mamifere s-a confruntat cu o serie de provocări. În primul rând, neuronii racilor sunt de 10 până la 100 de ori mai groși decât neuronii mamiferelor. Pe de altă parte, tehnica pe care a folosit-o grupul inițial – o formă simplă a ceea ce se numește interferometrie – poate măsura schimbările doar într-un singur punct la un moment dat, ceea ce înseamnă că ar putea fi folosită pentru a studia doar o zonă mică a unei celule la un moment dat, mai degrabă decât pentru a obține imagini ale întregii celule sau chiar ale unei rețele de neuroni care comunică între ei în creier.

Shining new light on neuron firing

Pentru a rezolva unele dintre aceste probleme, Ling, Palanker și colegii au apelat mai întâi la o variație a interferometriei standard numită microscopie de fază cantitativă, care permite cercetătorilor să cartografieze peisaje microscopice întregi – de exemplu, peisajul unei rețele de celule dispuse pe o placă de sticlă. Tehnica este suficient de simplă încât poate fi realizată prin aruncarea luminii laser prin acele celule, trecerea ei prin câteva lentile, filtre și alte elemente optice și filtre și înregistrarea rezultatului cu o cameră foto. Acea imagine poate fi apoi procesată pentru a crea o hartă topografică a celulelor.

Ling, Palanker și echipa au gândit că ar putea folosi tehnica pentru a măsura cât de mult își schimbă forma neuronii atunci când se declanșează. Pentru a testa ideea, ei au cultivat o rețea de celule asemănătoare neuronilor pe o placă de sticlă și au folosit o cameră video pentru a înregistra ce s-a întâmplat atunci când celulele – de fapt celule derivate din rinichi modificate pentru a se comporta mai mult ca niște neuroni – au tras. Prin sincronizarea înregistrărilor video cu înregistrările electrice și prin calcularea mediei pe mai multe mii de exemple, echipa a creat un șablon care descrie modul în care celulele se mișcă atunci când trag: în aproximativ patru milisecunde, grosimea celulelor crește cu aproximativ trei nanometri, o schimbare de aproximativ o sutime de 1 la sută. După ce atinge grosimea maximă, celula are nevoie de încă aproximativ o zecime de secundă pentru a se micșora din nou.

Supravegherea celulelor cerebrale la lucru

În faza inițială a experimentului, echipa a avut nevoie de electrozi pentru a-și da seama când celulele au tras. În cea de-a doua fază, membrii echipei au arătat că pot folosi șablonul lor pentru a căuta și identifica declanșarea celulelor fără a se baza pe electrozi.

Cu toate acestea, mai sunt o serie de pași de făcut înainte ca echipa să poată face metoda să funcționeze în creiere reale. În primul rând, echipa va trebui să facă tehnica să funcționeze în neuronii reali, spre deosebire de celulele asemănătoare neuronilor pe care le-au analizat până acum. „Neuronii sunt mai pretențioși”, a spus Palanker, dar echipa a început deja să experimenteze cu ei.

O a doua provocare este că neuronii din creierele reale nu sunt aranjați într-un singur strat pe o placă de sticlă, așa cum au fost celulele studiate de laboratorul lui Palanker. În special, echipa nu poate străpunge creierul cu lasere și să se aștepte să vadă mare lucru ieșind pe partea cealaltă, cu atât mai puțin date utile. Din fericire, a spus Palanker, tehnicile pe care le-au folosit cu lumina transmisă funcționează în mod similar în cazul luminii reflectate, iar majoritatea neuronilor reflectă suficientă lumină încât abordarea ar trebui, în teorie, să funcționeze.

Există o limitare pe care echipa probabil nu o va putea ocoli – deoarece lumina nu pătrunde adânc în creier, noua metodă va putea sonda doar straturile exterioare. Totuși, pentru proiectele care trebuie să studieze doar aceste straturi, tehnica ar putea oferi cercetătorilor o modalitate mai curată și mai simplă de a studia creierul.

„De obicei, metodele invazive afectează ceea ce fac celulele, făcând astfel ca măsurătorile să fie mai puțin fiabile”, a spus Palanker. „Aici nu se face nimic celulelor. Practic, doar le privești cum se mișcă.”

.