Пока вы читаете эти слова, в определенных областях вашего мозга наблюдается всплеск электрической активности с миллисекундной скоростью. Визуализация и измерение этой электрической активности имеет решающее значение для понимания того, как мозг позволяет нам видеть, двигаться, вести себя или читать эти слова. Однако технологические ограничения мешают нейробиологам достичь своей цели — улучшить понимание того, как работает мозг.
Ученые из Медицинского колледжа Бэйлора и сотрудничающих учреждений сообщают в журнале Cell о новом датчике, который позволяет нейробиологам отображать активность мозга без пропуска сигналов в течение длительного времени и глубже в мозг, чем это было возможно ранее. Эта работа прокладывает путь к новым открытиям о том, как функционирует мозг бодрствующих активных животных, как здоровых, так и с неврологическими заболеваниями.
Святой Грааль нейробиологии
«Мало того, что электрическая активность мозга очень быстрая, она также включает в себя различные типы клеток, которые играют разные роли в вычислениях мозга», — сказал соответствующий автор, доктор Франсуа Сен-Пьер, доцент нейробиологии и ученый Макнейра в Бэйлоре. Он также является адъюнкт-профессором электротехники и компьютерных наук в Университете Райса. «Было сложно понять, как неинвазивно наблюдать за миллисекундной электрической активностью в отдельных нейронах определенных типов клеток у животных, занимающихся какой-либо деятельностью. Возможность сделать это была святым Граалем нейровизуализации».
Существуют существующие технологии для измерения электрической активности мозга. «Например, электроды могут записывать очень быструю активность, но они не могут сказать, какой тип клеток они прослушивают», — сказал Сен-Пьер.
Исследователи также используют флуоресцентные белки, которые реагируют на изменения кальция, связанные с электрической активностью. Эти изменения флуоресценции можно проследить с помощью 2-фотонного микроскопа. «Такой тип датчиков отлично подходит для определения того, какие нейроны активны, а какие нет. Однако они очень медленные. Они косвенно измеряют изменения напряжения, поэтому пропускают много ключевых сигналов».
Цель Сен-Пьера и его коллег заключалась в том, чтобы объединить лучшие из этих методологий и разработать датчик, который может отслеживать активность определенных типов клеток, одновременно улавливая быстрые сигналы мозга. «Мы достигли этого с помощью нового поколения сконструированных флуоресцентных белков, называемых генетически кодируемыми индикаторами напряжения или GEVI», — сказал Сен-Пьер.
Соавторы — Чжохэ (Гарри) Лю, Сяоюй (Хелен) Лу и Юэян (Эрик) Гоу — создали и использовали автоматизированную систему, которая обеспечила лучший и более эффективный способ разработки и оптимизации флуоресцентных индикаторов напряжения для двухфотонной микроскопии. стандартный метод неинвазивной визуализации глубоких тканей в неврологии. «С помощью этой системы мы протестировали тысячи вариантов индикаторов и определили JEDI-2P, который быстрее, ярче, чувствительнее и фотостабильнее, чем его предшественники», — сказал Лю, аспирант кафедры электротехники и вычислительной техники в Райс, работающий в Лаборатория Сен-Пьер.
«С помощью JEDI-2P мы устранили три важных недостатка предыдущих методов», — сказал Лу, аспирант программы «Системы, синтетическая и физическая биология» (SSPB) в Райсе, работающий в лаборатории Сен-Пьер. «Во-первых, это позволяет нам следить за электрической активностью живого животного в течение 40 минут вместо максимум нескольких минут. Во-вторых, мы можем отображать всплески электрической активности с временным разрешением около одной миллисекунды, а в-третьих, мы можем отображать отдельные клетки глубже в мозгу, потому что наш индикатор яркий и производит сильные сигналы в ответ на активность мозга».
До сих пор исследователи были ограничены наблюдением за поверхностью мозга, «но большая часть мозговой активности , очевидно, не ограничивается первыми 50 микронами ниже поверхности мозга», — сказал Сен-Пьер. «Наша методология впервые позволяет исследователям неинвазивно отслеживать сигналы напряжения в глубоких слоях коры головного мозга», — сказал Гоу, бывший сотрудник лаборатории Сен-Пьер, который сейчас учится в программе для выпускников нейробиологии в Бэйлоре.
Соавторы Бэйлора доктор Андреас Толиас, профессор неврологии, и доктор Джейкоб Реймер, доцент нейробиологии, продемонстрировали, что JEDI-2P может регистрировать электрическую активность у мышей с использованием оборудования для визуализации, доступного во многих лабораториях нейровизуализации. Соавтор Стефан Дьедонне (École Normale Supérieure, Франция) продемонстрировал глубокое и сверхбыстрое обнаружение электрических сигналов мозга у мышей путем мониторинга флуоресценции JEDI-2P с помощью метода быстрой микроскопии под названием ULoVE.
Лаборатории соавторов Drs. Катрин Франке (руководитель группы, Тюбингенский университет, Германия) и Том Кландинин (Стэнфордский университет) показали, как JEDI-2P можно также применять для визуализации электрической активности в сетчатке глаза и у мух соответственно. В совокупности эти международные совместные усилия продемонстрировали, что новая технология может быть легко развернута группами нейробиологов, работающими с различными моделями животных и использующими различные методы микроскопии.
«В 2014 году я делал презентацию на собрании Общества нейробиологов о первой версии этого индикатора, и люди закатывали глаза. Они думали, что быстрая визуализация напряжения с помощью флуоресцентных индикаторов никогда не будет возможна у бодрствующих животных из-за огромной технической проблемы. визуализации активности в миллисекундном масштабе», — сказал Сен-Пьер. «Восемь лет спустя мы достигли этой цели. И еще есть место для развития индикатора — он не будет последним джедаем!»
