211service.com
Śledzenie przepływu informacji w mózgu
Naukowcy z MIT opracowali nanometryczny czujnik wapnia, który może ostatecznie rzucić światło na zawiłą komunikację między komórkami, która składa się na ludzką myśl. Alan Jasanoff i jego zespół z Francis Bitter Magnet Lab i McGovern Institute of Brain Research odkryli, że śledzenie wapnia, kluczowego przekaźnika w mózgu, może być bardziej precyzyjnym sposobem pomiaru aktywności nerwowej w porównaniu z obecnymi technikami obrazowania, takimi jak tradycyjne funkcjonalne magnetyczne obrazowanie rezonansowe (fMRI).
Kiedy neuron zostaje pobudzony, uwalnia wapń. Alan Jasanoff z McGovern Institute w MIT wykorzystał tę obserwację do opracowania nowego sposobu wizualizacji aktywności mózgu za pomocą fMRI. Nanocząsteczki superparamagnetyczne (pokazane tutaj) pokryte są białkami (czerwonym i zielonym), które agregują, gdy wapń jest uwalniany przez neuron. Agregację tych cząstek można wykryć za pomocą magnesu MRI.
FMRI wykorzystuje potężne magnesy do wykrywania przepływu krwi w mózgu, umożliwiając naukowcom obserwowanie działania ludzkiego mózgu. Dzięki szybkiej serii migawek naukowcy mogą obserwować, jak kluczowe obszary mózgu osoby zapalają się w odpowiedzi na dane zadanie lub polecenie. Technologia została wykorzystana do wskazania obszarów mózgu zaangażowanych we wszystko, od podstawowych umiejętności motorycznych i werbalnych po mroczne stany poznawcze, takie jak zazdrość, oszustwo i moralność.
Niestety, fMRI, tak jak się go używa, ma poważną wadę: mierzy przepływ krwi lub hemodynamikę, która jest pośrednią miarą aktywności komórek nerwowych. Okazuje się, że hemodynamika zasadniczo wprowadza opóźnienie o pięć sekund, mówi Jasanoff. Uniemożliwia wykrycie szybkich zmian [aktywności neuronowej].
Ponieważ neurony zwykle aktywują się w ciągu milisekund, obecne techniki fMRI dostarczają jedynie przybliżonego oszacowania tego, co mózg robi w danym momencie. Skany FMRI mają również stosunkowo niską rozdzielczość przestrzenną, mierząc aktywność w obszarach 100 mikronów, objętości, która zwykle zawiera 10 000 neuronów, z których każdy ma różne wzorce aktywacji.
Wysiłki zmierzające do dostrojenia fMRI koncentrowały się na opracowaniu silniejszych magnesów i lepszym zrozumieniu przepływu krwi i jego związku z aktywnością mózgu.
Ale Jasanoff wierzy, że istnieje lepszy, bardziej precyzyjny sposób śledzenia aktywności neuronowej. On i jego zespół patrzy na wapń jako na bezpośrednią miarę wyładowania neuronowego. Kiedy neuron wysyła impuls elektryczny do innego neuronu, kanały specyficzne dla wapnia w błonie neuronu natychmiast otwierają się, umożliwiając wapń przepływ do komórki. To bardzo dramatyczna zmiana sygnału, mówi Jasanoff.
Fluorescencyjne czujniki wapnia są już używane w powierzchownym obrazowaniu optycznym, ale nie zostały jeszcze zastosowane w głębszych tkankach mózgu, które są dostępne za pośrednictwem potężnych magnesów maszyn fMRI. W tym celu laboratorium Jasanoffa przystąpiło do zaprojektowania czujnika wapnia, który byłby wykrywalny za pomocą fMRI. W tym celu połączyli czujnik z superparamagnetyczną nanocząstką tlenku żelaza – zasadniczo magnesem o rozmiarach molekularnych, który może być rejestrowany przez fMRI jako obrazy o wysokim kontraście.
Sam czujnik składa się z dwóch oddzielnych nanocząstek, z których każda pokryta jest innym białkiem: kalmoduliną i M13. W obecności wapnia te dwa białka łączą się ze sobą. Zasadniczo… stworzyliśmy dwa zestawy piłek na rzepy, mówi Jasanoff. Jeden ma haczyki, a drugi pętle, które stają się kulkami na rzepy tylko w obecności wapnia. Białka rozpadają się, gdy wapń znika, co może być przydatne w interpretacji przepływu aktywności elektrycznej w obwodzie neuronów podczas danego zadania – co nie jest możliwe w przypadku dzisiejszego fMRI.
Badania Jasanoffa to dopiero pierwszy krok w tym kierunku. Do tej pory testował czujnik w roztworach probówek z wapniem i bez, skanując interakcje z MRI. Wstępne wyniki, opublikowane w ostatnim numerze Materiały Narodowej Akademii Nauk, są obiecujące: skany były w stanie zebrać wysokokontrastowe obrazy kulek przypominających rzepy, skupiających się w obecności wapnia. Chociaż obrazy były widoczne dopiero po wielu sekundach, a nawet minutach, Jasanoff twierdzi, że czujnik można bardzo modyfikować i planuje poprawić jego reakcję czasową w przyszłych próbach. Na razie planuje wstrzykiwać czujniki wapnia do pojedynczych komórek much, a docelowo szczurów.
Obserwatorzy z zewnątrz lubią Greg Sorensen Harvard Medical School są ostrożni i optymistycznie nastawieni do nowej generacji obrazowania mózgu, szczególnie do zastosowań u ludzi. Sorensen, profesor nadzwyczajny radiologii, koncentruje się na zastosowaniu nowatorskich technik obrazowania w leczeniu chorób neurologicznych.
Sorensen mówi, że wewnątrzkomórkowe cząstki tlenku żelaza w niektórych badaniach miały niekorzystny profil bezpieczeństwa u ludzi. Gdybyśmy dowiedzieli się, że ta metoda niesie ze sobą pewne ryzyko, ale w zamian moglibyśmy zidentyfikować najlepsze leczenie, powiedzmy, schizofrenii, to ryzyko może być warte korzyści.