Det kan snart förändras. Som Stanfordforskare rapporterar den 12 december i Light: Science and Applications har de utvecklat ett sätt att titta på hjärnceller som sänder elektriska signaler med hjälp av endast ljus, några linser och andra optiska element samt en snabb videokamera.

Nyckeln till det nya tillvägagångssättet, säger Daniel Palanker, professor i oftalmologi och försteförfattare till den nya artikeln, är att när neuroner avfyrar elektriska signaler ändrar de subtilt form. Denna förändring i nanometerskala kan mätas med hjälp av optisk teknik.

Hittills har Palanker, Tong Ling, postdoktor och huvudförfattare till den nya artikeln, och kollegor mätt dessa minibara formförändringar i nätverk av neuronliknande celler i en labbskål. De anpassar nu sina metoder för att studera neuroner i levande djurs hjärnor. Om det fungerar kan det leda till ett mer naturligt sätt att studera åtminstone vissa delar av hjärnan.

”Det är helt naturligt, inga kemiska markörer, inga elektroder, ingenting. Det är bara cellerna som de är”, säger Palanker, som är medlem av Stanford Bio-X och Wu Tsai Neurosciences Institute.

Sakernas form

Det händer mycket när neuronerna startar. Det finns förstås själva den elektriska signalen, som kan fångas upp av elektroder. Det finns också kemiska förändringar, som kan upptäckas med hjälp av fluorescerande molekyler som lyser upp när en neuron avfyras.

Och så finns det formen. Forskare insåg först att neuroner ändrar form genom att studera kräftans neuroner för mer än 40 år sedan. År 1977 skickade ett team av Stanford- och UCSF-forskare en laser mot en kräftneuron när den avfyrade och visade att dess bredd förändrades med ungefär samma tjocklek som en sträng mänskligt DNA.

Men att översätta dessa resultat till ett sätt att optiskt observera neuroner som avfyras i människans eller andra däggdjurshjärnor stötte på ett antal utmaningar. För det första är kräftans neuroner 10 till 100 gånger tjockare än däggdjursneuroner. För det andra kan den teknik som den ursprungliga gruppen använde – en enkel form av det som kallas interferometri – bara mäta förändringar i en enda punkt åt gången, vilket innebär att den bara kan användas för att studera ett litet område av en cell åt gången, i stället för att avbilda hela cellen eller till och med ett nätverk av neuroner som kommunicerar med varandra i hjärnan.

Nytt ljus på neuronernas avfyrning

För att lösa några av dessa problem vände sig Ling, Palanker och kollegor först till en variant av standardinterferometri som kallas kvantitativ fasmikroskopi och som gör det möjligt för forskarna att kartlägga hela mikroskopiska landskap – till exempel landskapet i ett nätverk av celler som är uppställda på en glasplatta. Tekniken är så enkel att den kan göras genom att lysa laserljus genom dessa celler, låta det passera genom några linser, filter och andra optiska element och filter och registrera resultatet med en kamera. Den bilden kan sedan bearbetas för att skapa en topografisk karta över cellerna.

Ling, Palanker och teamet resonerade att de kunde använda tekniken för att mäta hur mycket neuroner ändrar form när de utlöses. För att testa idén odlade de ett nätverk av neuronliknande celler på en glasplatta och använde en videokamera för att spela in vad som hände när cellerna – i själva verket celler från njurar som modifierats för att bete sig mer som neuroner – avfyrade. Genom att synkronisera videon med elektriska inspelningar och beräkna medelvärdet av flera tusen exempel skapade teamet en mall som beskriver hur cellerna rör sig när de avfyras: under cirka fyra millisekunder ökar celltjockleken med cirka tre nanometer, vilket är en förändring på ungefär en hundradel av en procent. När cellen har nått maximal tjocklek tar det ytterligare cirka en tiondels sekund innan den krymper ner igen.

Visa hur hjärncellerna arbetar

I experimentets inledande fas behövde teamet elektroder för att ta reda på när cellerna avfyrade. I den andra fasen visade lagmedlemmarna att de kunde använda sin mall för att söka efter och identifiera cellfyrning utan att förlita sig på elektroder.

Det finns fortfarande ett antal steg att ta innan laget kan få metoden att fungera i riktiga hjärnor. För det första måste teamet få tekniken att fungera i verkliga neuroner, i motsats till de neuronliknande celler som de hittills har tittat på. ”Neuroner är mer krävande”, säger Palanker, men teamet har redan börjat experimentera med dem.

En andra utmaning är att neuroner i riktiga hjärnor inte är arrangerade i ett enda lager på en glasplatta, vilket var fallet med de celler som Palankers labb studerade. I synnerhet kan teamet inte lysa med laser genom hjärnan och förvänta sig att se mycket av något komma ut på andra sidan, än mindre användbara data. Lyckligtvis, sade Palanker, fungerar de tekniker som de använde med överfört ljus på samma sätt med reflekterat ljus, och de flesta neuroner reflekterar tillräckligt mycket ljus för att metoden i teorin ska fungera.

Det finns en begränsning som teamet förmodligen inte kommer att kunna kringgå – eftersom ljuset inte tränger djupt in i hjärnan kommer den nya metoden endast att kunna undersöka de yttre lagren. Men för projekt som bara behöver studera dessa lager kan tekniken ändå ge forskarna ett renare och enklare sätt att studera hjärnan.

”Vanligtvis påverkar invasiva metoder vad cellerna gör, vilket gör mätningarna mindre tillförlitliga”, säger Palanker. ”Här gör man ingenting åt cellerna. Man tittar i princip bara på hur de rör sig.”