Signal från optisk bildbehandling (överst) matchar signalen från en elektroduppsättning (nederst). Kredit:Daniel Palanker, Ph.D., Stanford University.
Forskare har många sätt att se på när enskilda nervceller i en hjärnbrand, skicka elektriska signaler från en till nästa, men de delar alla ett grundläggande problem. Varje metod, om det involverar elektriska sonder, kemiska medel eller genetiska modifieringar, är på något sätt mer invasivt än neuroforskare skulle vilja.
Det kan snart ändras. Som Stanford-forskare rapporterar 12 december in Ljus:Vetenskap och tillämpningar , de har utvecklat ett sätt att se hjärnceller skicka elektriska signaler med enbart ljus, några linser och andra optiska element, och en snabb videokamera.
Nyckeln till det nya tillvägagångssättet, sa Daniel Palanker, en professor i oftalmologi och seniorförfattare på den nya uppsatsen, är att när neuroner avfyrar elektriska signaler ändrar de subtilt form. Den förändringen i nanometerskala kan mätas med hjälp av optiska tekniker.
Än så länge, Palanker, Tong Ling, en postdoktor och huvudförfattare på den nya uppsatsen, och kollegor har mätt dessa minimala formförändringar i nätverk av neuronliknande celler i en labbskål. De anpassar nu sina metoder för att studera neuroner i hjärnan på levande djur. Om det löser sig, det kan 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 celler som de är, sade Palanker, som är medlem i Stanford Bio-X och Wu Tsai Neurosciences Institute.
Sakernas form
Mycket händer när nervceller avfyras. Det finns naturligtvis själva den elektriska signalen, som kan plockas upp av elektroder. Det finns också kemiska förändringar, som kan detekteras med hjälp av fluorescerande molekyler som lyser upp när en neuron avfyras.
Och så är det formen. Forskare insåg först att nervceller ändrar form genom att studera kräftneuroner för mer än 40 år sedan. 1977 studsade ett team av forskare från Stanford och UCSF en laser från en kräftneuron när den sköt och visade att dess bredd ändrades med ungefär tjockleken på en sträng av mänskligt DNA.
Men att översätta dessa resultat till ett sätt att optiskt observera neuroner som skjuter i mänskliga eller andra däggdjurs hjärnor stod inför ett antal utmaningar. För en sak, kräftneuroner är 10 till 100 gånger tjockare än däggdjursneuroner. För en annan, tekniken som den ursprungliga gruppen använde – en enkel form av det som kallas interferometri – kan bara mäta förändringar i en enda punkt åt gången, vilket betyder att det kan användas för att studera endast ett litet område av en cell åt gången, snarare än att avbilda hela cellen eller till och med ett nätverk av neuroner som kommunicerar med varandra i hjärnan.
Video visar ett fält av celler som skjuter i en våg från vänster till höger. Svarta prickar är elektroder som registrerar samtidiga elektriska signaler. Kredit:Daniel Palanker, Ph.D., Stanford University.
Lyser nytt ljus på neuronavfyrning
För att lösa några av dessa problem, Långa, Palanker och kollegor vände sig först till en variant av standardinterferometri som kallas kvantitativ fasmikroskopi som gör det möjligt för forskare att kartlägga hela mikroskopiska landskap - till exempel, landskapet av ett nätverk av celler uppställda på en glasskiva. Tekniken är enkel nog att den kan göras genom att lysa laserljus genom dessa celler, för det genom några linser, filter och andra optiska element och filter, och spela in resultatet med en kamera. Den bilden kan sedan bearbetas för att skapa en topografisk karta över cellerna.
Långa, Palanker och teamet resonerade att de kunde använda tekniken för att mäta hur mycket neuroner ändrar form när de skjuter. För att testa idén, de odlade ett nätverk av neuronliknande celler på en glasskiva och använde en videokamera för att spela in vad som hände när cellerna - faktiskt njurhärledda celler modifierade för att bete sig mer som neuroner - avfyrades. Genom att synkronisera videon med elektriska inspelningar och beräkna i genomsnitt över flera tusen exempel, teamet skapade en mall som beskriver hur celler rör sig när de avfyras:under cirka fyra millisekunder, celltjockleken ökar med cirka tre nanometer, en förändring på ungefär en hundradel av 1 procent. När den når maximal tjocklek, cellen tar ungefär ytterligare en tiondels sekund att krympa tillbaka.
Titta på hjärnceller i arbete
I den inledande fasen av experimentet, teamet behövde elektroder för att ta reda på när cellerna sköt. I den andra fasen, Teammedlemmarna visade att de kunde använda sin mall för att söka efter och identifiera cellavfyrning utan att förlita sig på elektroder.
Fortfarande, det finns ett antal steg att ta innan teamet kan få metoden att fungera i riktiga hjärnor. Först, teamet kommer att behöva få tekniken att fungera i verkliga neuroner, i motsats till de neuronliknande celler de har tittat på hittills. "Neuroner är mer petiga, "Palanker sa, men teamet har redan börjat experimentera med dem.
En andra utmaning är att nervceller i riktiga hjärnor inte är ordnade i ett enda lager på en glasplatta, liksom cellerna som Palankers labb studerade. Särskilt, teamet kan inte lysa laser genom hjärnan och förväntar sig att mycket av allt kommer ut på andra sidan, än mindre användbar data. Lyckligtvis, Palanker sa, teknikerna de använde med genomsläppt ljus fungerar på liknande sätt i reflekterat ljus, och de flesta neuroner reflekterar tillräckligt med ljus för att tillvägagångssättet i teorin borde fungera.
Det finns en begränsning som teamet förmodligen inte kommer att kunna ta sig runt – eftersom ljus inte tränger djupt in i hjärnan, den nya metoden kommer bara att kunna sondera de yttre lagren. Fortfarande, för projekt som bara behöver studera dessa skikt, tekniken kan ge forskare en renare, enklare sätt att studera hjärnan.
"Vanligtvis, invasiva metoder påverkar vad celler gör, vilket gör mätningarna mindre tillförlitliga, " sa Palanker. "Här gör du ingenting mot cellerna. Du ser i princip bara hur de rör sig."
