Gesundheit

Ein fokussierter Ansatz zur Bildgebung neuronale Aktivität im Gehirn

Wenn Neuronen feuern einen elektrischen Impuls, Sie erfahren auch einen Anstieg von Kalzium-Ionen. Durch die Messung diese überspannungen können die Forscher indirekt überwachen neuron activity, Ihnen zu helfen, die Untersuchung der Rolle von einzelnen Nervenzellen in vielen verschiedenen Funktionen des Gehirns.

Ein Nachteil dieser Technik ist das übersprechen erzeugt durch die Axone und Dendriten, die sich von benachbarten Neuronen, die macht es schwieriger, eine unverwechselbare signal des Neurons untersucht. MIT-Ingenieure haben jetzt eine Möglichkeit entwickelt, um dieses Problem zu lösen Problem, indem Sie Kalzium-Indikatoren, oder sensoren, die sich ansammeln, nur im Körper eines Neurons.

„Die Menschen sind mit Kalzium-Indikatoren für die überwachung der neuronalen Aktivität in vielen teilen des Gehirns,“ sagt Edward Boyden, der Y. Eva Tan Professor in der Neurotechnologie und professor der biologischen Technik und des Gehirns und Kognitionswissenschaften am MIT. „Jetzt können Sie bessere Ergebnisse erhalten, den Erhalt genauer neuronalen Aufnahmen, die sind weniger verunreinigt durch übersprechen.“

Um dies zu erreichen, haben die Forscher verschmolzen eine Häufig verwendete Kalzium-Indikator genannt GCaMP zu einem kurzen Peptid, das Ziele, auf die es der Zelle Körper. Das neue Molekül, das die Forscher nennen SomaGCaMP, kann leicht sein, integriert in die bestehenden workflows für die calcium-imaging, sagen die Forscher.

Boyden ist der senior-Autor der Studie, die heute in Neuron. Die Hauptautoren sind wissenschaftlicher Mitarbeiter Oder Shemesh, postdoc Changyang Linghu, und ehemaliger postdoc Kiryl Piatkevich.

Molekulare Fokus

Der GCaMP-Kalzium-Indikator aus einem fluoreszierenden protein befestigt, um ein calcium-bindendes protein namens calmodulin und ein calmodulin-bindendes protein mit der Bezeichnung M13-Peptid. GCaMP fluoresziert, wenn es bindet an calcium-Ionen in das Gehirn, so dass die Forscher indirekt Messen neuron Aktivität.

„Kalzium ist leicht zu Bild, denn es geht von einem sehr niedrigen Konzentration im inneren der Zelle zu einer sehr hohen Konzentration, wenn ein neuron aktiv ist,“ sagt Boyden, der auch ein Mitglied der MIT McGovern Institut für Hirnforschung, Media Lab, und Koch Institut für Integrative Cancer Research.

Der einfachste Weg zu erkennen, diese fluoreszierenden Signale ist mit einem bildgebenden genannten ein-Photonen-Mikroskopie. Dies ist eine relativ kostengünstige Technik, die Bild-großes Gehirn-Proben bei hoher Geschwindigkeit, aber der Nachteil ist, dass es nimmt das übersprechen zwischen benachbarten Neuronen. GCaMP geht in allen teilen des Neurons, also die Signale von den Axonen eines Neurons kann erscheinen, als kämen Sie aus der Zelle Körper von einem Nachbarn, so dass das signal weniger genau.

Ein teurer Technik namens zwei-Photonen-Mikroskopie können teilweise überwunden werden, indem man die Fokussierung Licht sehr knapp auf die einzelnen Neuronen, aber dieser Ansatz erfordert eine spezielle Ausrüstung und ist auch langsamer.

Boyden lab beschlossen, einen anderen Ansatz, indem Sie ändern die Anzeige selbst, anstatt die imaging-Geräte.

„Wir dachten, anstatt optisch fokussieren von Licht, was, wenn wir molekular konzentriert sich das Kennzeichen?“, sagt er. „Eine Menge von Menschen die Nutzung von hardware, wie der zwei-Photonen-Mikroskope, reinigen Sie die imaging. Wir versuchen zu bauen, die eine molekulare version von dem, was andere Menschen tun, die mit hardware.“

In einem verwandten Papier, das letztes Jahr veröffentlicht wurde, Boyden und seine Kollegen verwendeten einen ähnlichen Ansatz zur Reduzierung des übersprechens zwischen fluoreszierenden Sonden, die direkt das Bild der Neuronen-Membran-Spannung. In parallel, Sie beschlossen, zu versuchen, einen ähnlichen Ansatz mit der calcium-imaging, die eine viel mehr Häufig verwendete Technik.

Ziel GCaMP ausschließlich auf die Zelle Körper von Neuronen, die Forscher versucht, fusing GCaMP zu viele verschiedene Proteine. Sie untersucht zwei Arten von Kandidaten—natürlich vorkommende Proteine, die dafür bekannt sind, sich in die Zelle, Körper und menschlicher gestaltet Peptide—arbeiten mit Biologie-Professor Amy Keating, der auch ein Autor des Papiers. Diese synthetischen Proteine sind coiled-coil Proteine, die eine markante Struktur, in der mehrere helices der Proteine Spule zusammen.

Geringer crosstalk

Die Forscher gesiebt über 30 Kandidaten in Neuronen gewachsen im Labor Gerichte, und wählte dann zwei—einer künstlichen coiled-coil und ein natürlich vorkommendes Peptid—test bei Tieren. Die Arbeit mit Misha Ahrens, die Untersuchungen am Zebrafisch am Janelia Research Campus, fanden Sie, dass beide Proteine angeboten, die deutliche Verbesserungen gegenüber der ursprünglichen version von GCaMP. Das signal-zu-Rausch-Verhältnis—ein Maß für die Stärke des Signals im Vergleich zum hintergrund-Aktivität—ging, und die Aktivität zwischen benachbarten Neuronen zeigten verminderte Korrelation.

In Studien von Mäusen, durchgeführt im Labor von Xue Han an der Boston University, die Forscher fanden auch, dass die neuen Indikatoren reduziert die Korrelationen zwischen der Aktivität der benachbarten Neuronen. Weitere Studien mit einer Miniatur-Mikroskop (genannt microendoscope), durchgeführt im Labor von Kay Tye am Salk Institut für Biologische Studien ergaben eine signifikante Erhöhung des signal-zu-Rausch-Verhältnis mit der neuen Indikatoren.

„Unsere neue Indikator ermöglicht, die Signale genauer. Dies deutet darauf hin, dass die Signale, dass die Menschen Messen mit regelmäßigen GCaMP könnte gehören, übersprechen,“ Boyden sagt. „Es gibt die Möglichkeit der Artefakt Synchronität zwischen den Zellen.“

In allen Tierversuchen fanden Sie heraus, dass die künstlichen coiled-coil-protein produziert ein helleres signal als das natürlich vorkommende Peptid, dass Sie getestet werden. Boyden sagt, es ist unklar, warum die coiled-coil-Proteine, die so gut funktionieren, aber eine Möglichkeit ist, dass Sie einander binden, so dass Sie weniger wahrscheinlich sehr weit Reisen innerhalb der Zelle.

Boyden will mit der neuen Moleküle um zu versuchen, ein abbild der gesamten Gehirne von kleinen Tieren wie Würmern und Fischen, und sein Labor ist auch die neue Indikatoren zur Verfügung, um alle Forscher, die Sie nutzen wollen.