Ett internationellt team av forskare har tagit ett viktigt steg mot att få en bättre förståelse för hjärnans inre funktioner, inklusive de molekylära processer som kan spela en roll vid neurologiska störningar.

Forskargruppen har använt en ny biosensor för att optiskt spåra rörelserna hos signalsubstansen glycin – en signalmolekyl i hjärnan – för första gången.

Ledande forskare docent Colin Jackson från Australian National University (ANU) sa att den nya studien skulle hjälpa forskare att få mer insikt i neurologiska störningar som uppstår på grund av dysfunktionell neurotransmittoraktivitet.

"För att förstå hur hjärnan fungerar på molekylär nivå och hur saker och ting kan gå fel, vi måste förstå frisättningen och upptaget av neurotransmittorer, " sa docent Jackson från ANU Research School of Chemistry.

"Neurotransmittorer är för små för att se direkt, så vi gjorde en ny biosensor för dem."

Glycin är en signalsubstans i det centrala nervsystemet, inklusive i cortex, ryggrad, hjärnstammen och näthinnan. Det spelar en roll i neuronal kommunikation och lärande, och även vid bearbetning av motorisk och sensorisk information som tillåter rörelse, syn och hörsel.

Forskargruppen designade och tillverkade ett protein för att binda glycin och fusionerade det med två andra proteiner som är fluorescerande.

"När det bindande proteinet binder till glycin, de fluorescerande proteinerna ändrar sina relativa positioner och vi ser en förändring i fluorescens som vi kan övervaka med ett speciellt mikroskop, ", sa docent Jackson.

"Det fanns tidigare inget sätt att visualisera aktiviteten av glycin i hjärnvävnad - vi kan göra detta nu, vilket är spännande.

"I framtiden, vi vill göra sensorer för andra neurotransmittorer och använda vår sensor för att titta på den molekylära grunden för vissa neurologiska störningar."

Forskningen finansierades av Human Frontiers in Science Fellowship Program, som finansierade docent Jacksons team vid ANU och forskare vid universitetet i Bonn i Tyskland och Institute of Science and Technology i Österrike.

Professor Christian Hennebergers team vid universitetet i Bonn i Tyskland hjälpte till med designen av sensorn och utvecklade teknikerna för att använda den nya biosensorn i levande hjärnvävnad. Detta gjorde det möjligt för dem att se hur glycinnivåerna förändras i realtid som svar på neuronaktivitet och hur glycin fördelas i levande hjärnvävnad.

"Sensorn gjorde det möjligt för oss att direkt testa viktiga hypoteser om glycinsignalering. Vi upptäckte också att, oväntat, glycinnivåerna förändras under neuronal aktivitet som inducerar inlärningsrelaterade synaptiska förändringar, " sa professor Henneberger.

"Vi följer upp vår studie genom att ytterligare utforska de mekanismer som styr glycins inflytande på informationsbehandling i den friska hjärnan och även i sjukdomsmodeller."

Forskningen är publicerad i Naturens kemiska biologi .