Ball-and-stick-modell av dopaminmolekylen, en signalsubstans som påverkar hjärnans belönings- och njutningscentra. Kredit:Jynto/Wikipedia
Astronomer bygger nya teleskop och kikar på natthimlen för att se vad de kan hitta. Janelia Group Leader Abraham Beyene tar ett liknande tillvägagångssätt när han tittar på cellerna som utgör den mänskliga hjärnan.
Beyene och hans team designar och syntetiserar nya typer av mycket känsliga biosensorer som de använder för att titta på neuroner för att se vad de kan lära sig.
"Du har det här nya verktyget som nu hjälper oss att göra de typer av mätningar som vi aldrig har kunnat göra tidigare, och vi går in i labbet och distribuerar den här tekniken och vi ser vad som händer," säger Beyene. "Vad du ser är att några riktigt intressanta fenomen börjar dyka upp som du inte ens har börjat tänka på."
Beyene och hans team använder detta tillvägagångssätt med sin nya syntetiska nanosensor designad för att fånga dopaminfrisättning över hela neuroner med subcellulär upplösning. Biosensorn är fäst vid en 2D nanofilm, kallad DopaFilm, och neuroner odlas sedan ovanpå filmen. När neuronerna släpper signalsubstansen dopamin, faller kemikalien på filmen, vilket gör att den blir ljusare. Teamet använder sedan ett specialbyggt mikroskop för att fånga denna ljusning, vilket gör att de kan visualisera dopaminfrisättning från vilken del av neuronen som helst och skapa filmer för att fånga kemikalierna när de frigörs och diffunderar ut.
Neurotransmittorer som skickar signaler mellan neuroner frigörs vanligtvis från axoner, den långa kedjan som kommer från neuronens soma eller cellkropp. Men vissa signalsubstanser, som dopamin, frigörs också från soma och dess dendriter - de trädliknande strukturerna som strålar ut från den. Medan tidigare forskning har visat att dopamin frigörs från soma och dendriter, kunde traditionella metoder inte ge en tillräckligt bra bild av exakt var eller hur detta inträffade.
Traditionella biosensorer använder proteiner riktade mot det yttre membranet av en neuron, vilket gör att forskare bara kan observera vad som händer på specifika punkter på cellen. Men Beyenes nanosensor är immobiliserad över en 2D-yta, vilket gör att den kan registrera frisättningen av neurokemikalier över en hel neuron. Sensorn uppvisar också extrem känslighet för dopamin, vilket gör att den kan upptäcka även den minsta bit av kemisk signal som kommer från cellerna.
Dessa egenskaper gjorde det möjligt för teamet att fånga frisättningen av dopamin i oöverträffad detalj. Den nya tekniken gör det möjligt för dem att ta högupplösta bilder av dopaminfrisättning från axoner och för första gången se frisättningen av denna viktiga signalsubstans från specifika platser på dendriter.
Deras arbete, rapporterat i en ny tidning publicerad i eLife , ger forskare en möjlighet att ta en ny titt på dopaminfrisättning från dendriter, och föreslår att dessa strukturer kan spela en större roll i hjärnans beräkningar än man tidigare trott.
"Vi kan skapa filmer där vi fångar hela den rumsliga och tidsmässiga omfattningen av kemikalier när de frigörs och sprids, vilket aldrig har gjorts tidigare. Och sedan utnyttjade vi den förmågan att studera den dendritiska frisättningen av dopamin, som har inte blivit helt karakteriserad och väl förstått", säger Beyene.
Medan det nya verket svarar på några frågor, väcker det också nya, till exempel varför vissa dendriter frigör dopamin medan andra är tysta, säger Beyene. Han hoppas att deras fynd leder till nya studier av neuroforskare av dopaminneuroner i hjärnan.
"Eftersom de flesta verktyg kämpar för att ge en bra mätning och visualisering av frisättning från dendriter, har den potentiella rollen av dendritisk dopaminfrisättning i den större beräkningen som dopaminneuroner utför inte utforskats till fullo. Förhoppningsvis kommer denna studie att ge impulser för forskare att ta en andra titt, säger Beyene. + Utforska vidare
