Используя флуоресцентный зонд, который загорается, когда клетки мозга электрически активны, исследователи из Массачусетского технологического института и Бостонского университета показали, что они могут отображать активность многих нейронов одновременно в мозгу мышей.
По словам Эдварда Бойдена, исследователя Y. Ева Тан, профессор нейротехнологии и профессор биологической инженерии, мозга и когнитивных наук в Массачусетском технологическом институте.
"Если вы хотите изучить поведение или болезнь, вам необходимо отобразить активность популяций нейронов, потому что они работают вместе в сети," – говорит Бойден, который также является членом Института исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте, Лаборатории СМИ и Института интегративных исследований рака Коха.
Используя эту молекулу, чувствительную к напряжению, исследователи показали, что они могут регистрировать электрическую активность гораздо большего числа нейронов, чем это было возможно с любым существующим, полностью генетически закодированным флуоресцентным датчиком напряжения.
Бойден и Сюэ Хан, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Бостонском университете, являются старшими авторами исследования, которое появится в октябре. 9 онлайн-издание журнала Nature. Ведущими авторами статьи являются постдок MIT Кирилл Пяткевич, аспирант BU Сет Бенсуссен и научный сотрудник BU Хуа-ань Ценг.
Увидеть связи
Нейроны выполняют вычисления, используя быстрые электрические импульсы, которые лежат в основе наших мыслей, поведения и восприятия мира. Традиционные методы измерения этой электрической активности требуют введения электрода в мозг, что является трудоемким процессом и обычно позволяет исследователям записывать данные только с одного нейрона за раз. Множества электродов позволяют отслеживать электрическую активность сразу многих нейронов, но они не обеспечивают достаточно плотную выборку, чтобы получить все нейроны в заданном объеме. Визуализация кальция позволяет делать такие плотные выборки, но измеряет кальций, косвенный и медленный показатель электрической активности нейронов.
В 2018 году команда Бойдена разработала альтернативный способ мониторинга электрической активности, пометив нейроны флуоресцентным зондом. Используя технику, известную как направленная эволюция белка, его группа сконструировала молекулу под названием Archon1, которую можно генетически вставить в нейроны, где она встраивается в клеточную мембрану. Когда электрическая активность нейрона увеличивается, молекула становится ярче, и эту флуоресценцию можно увидеть с помощью стандартного светового микроскопа.
В статье 2018 года Бойден и его коллеги показали, что они могут использовать эту молекулу для визуализации электрической активности в мозге прозрачных червей и эмбрионов рыбок данио, а также в срезах мозга мышей. В новом исследовании они хотели попытаться использовать его на живых бодрствующих мышах, когда они проявляли определенное поведение.
Для этого исследователям пришлось модифицировать зонд так, чтобы он попадал в подобласть мембраны нейрона. Они обнаружили, что, когда молекула внедряется через всю клеточную мембрану, получаемые изображения становятся размытыми, потому что аксоны и дендриты, отходящие от нейронов, также флуоресцируют. Чтобы преодолеть это, исследователи прикрепили небольшой пептид, который направляет зонд специально к мембранам тел нейронов. Они назвали этот модифицированный белок SomArchon.
"С SomArchon вы можете видеть каждую клетку как отдельную сферу," Бойден говорит. "Вместо того, чтобы свет одной ячейки размывал всех своих соседей, каждая ячейка может говорить сама по себе громко и четко, не подвергаясь воздействию своих соседей."
Исследователи использовали этот зонд для визуализации активности в части мозга, называемой полосатым телом, которая участвует в планировании движения, когда мыши бегают по мячу. Они могли отслеживать активность нескольких нейронов одновременно и соотносить активность каждого из них с движением мышей. Активность некоторых нейронов увеличивалась, когда мыши бежали, некоторые снижались, а другие не демонстрировали значительных изменений.
"За прошедшие годы моя лаборатория испытала множество различных версий датчиков напряжения, и ни один из них не работал в мозгу живых млекопитающих до этого," Хан говорит.
Используя этот флуоресцентный зонд, исследователи смогли получить измерения, аналогичные измерениям, зарегистрированным электрическим зондом, который может регистрировать активность в очень быстром масштабе времени. Это делает измерения более информативными, чем существующие методы, такие как визуализация кальция, который нейробиологи часто используют в качестве показателя электрической активности.
"Мы хотим записывать электрическую активность в миллисекундной шкале времени," Хан говорит. "Временные рамки и модели активности, которые мы получаем при визуализации кальция, сильно различаются. Мы действительно не знаем, как эти изменения кальция связаны с электрической динамикой."
С новым датчиком напряжения также можно измерять очень небольшие колебания активности, которые происходят, даже когда нейрон не запускает всплеск. Это может помочь нейробиологам изучить, как небольшие колебания влияют на общее поведение нейрона, что раньше было очень сложно в живом мозге, говорит Хан.
Схемы отображения
Исследователи также показали, что этот метод визуализации может быть объединен с оптогенетикой – техникой, разработанной лабораторией Бойдена и сотрудниками, которая позволяет исследователям включать и выключать нейроны с помощью света, создавая их для экспрессии светочувствительных белков. В этом случае исследователи активировали определенные нейроны светом, а затем измерили результирующую электрическую активность в этих нейронах.
Эта технология визуализации также может быть объединена с расширяющей микроскопией – техникой, разработанной лабораторией Бойдена для расширения мозговой ткани перед ее визуализацией, чтобы упростить просмотр анатомических связей между нейронами в высоком разрешении.
"Один из экспериментов моей мечты – визуализировать всю активность мозга, а затем использовать расширяющую микроскопию, чтобы найти проводку между этими нейронами," Бойден говорит. "Тогда мы сможем предсказать, как нейронные вычисления возникают из проводки."
По словам Бойдена, такие электрические схемы могут позволить исследователям точно определить аномалии цепей, лежащие в основе нарушений мозга, а также могут помочь исследователям разработать искусственный интеллект, который более точно имитирует человеческий мозг.