Ερευνητές ανέπτυξαν μια επαναστατική μέθοδο παρακολούθησης της λειτουργίας του μυαλού μας.
Επιστήμονες μετέτρεψαν εγκεφαλικά κύτταρα σε μικροσκοπικές πηγές φωτός αποκαλύπτοντας τη λειτουργία του εγκεφάλου όπως ποτέ άλλοτε.
Πριν από περίπου δέκα χρόνια ερευνητική ομάδα άρχισε να διερευνά μια ανορθόδοξη ιδέα για τη μελέτη του εγκεφάλου: τη χρήση βιοφωταύγειας για να γίνει ορατή η νευρωνική δραστηριότητα. Αντί να φωτίζουν τον εγκέφαλο απ’ έξω αναρωτήθηκαν αν οι νευρώνες θα μπορούσαν να σχεδιαστούν έτσι ώστε να λάμπουν μόνοι τους.
«Αρχίσαμε να σκεφτόμαστε: “Κι αν μπορούσαμε να φωτίσουμε τον εγκέφαλο από μέσα. Η ακτινοβόληση του εγκεφάλου χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της δραστηριότητας, συνήθως μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται φθορισμός, ή για την ενεργοποίηση κυττάρων ώστε να δοκιμαστεί ο ρόλος τους. Όμως η χρήση λέιζερ στον εγκέφαλο έχει μειονεκτήματα στα πειράματα, συχνά απαιτεί πολύπλοκο εξοπλισμό και έχει χαμηλότερα ποσοστά επιτυχίας. Σκεφτήκαμε ότι θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε τη βιοφωταύγεια αντί γι’ αυτό» ;” αναφέρει ο Κρίστοφερ Μουρ καθηγητής επιστημών του εγκεφάλου στο αμερικανικό Πανεπιστήμιο Brown επικεφαλής ομάδας περίπου 35 ερευνητών από διάφορα ακαδημαϊκά ιδρύματα των ΗΠΑ.
Αυτή η ιδέα οδήγησε στη δημιουργία του Κέντρου Βιοφωταύγειας στο Carney Institute for Brain Science του Πανεπιστημίου Brown το οποίο ξεκίνησε επίσημα το 2017. Η προσπάθεια υποστηρίχθηκε από σημαντική επιχορήγηση του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών των ΗΠΑ. Η ομάδα έθεσε ως στόχο να σχεδιάσει και να μοιραστεί νέα εργαλεία νευροεπιστήμης, επιτρέποντας στα κύτταρα του νευρικού συστήματος να παράγουν φως και να ανταποκρίνονται σε αυτό.
Το εργαλείο
Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Nature Methods» οι ερευνητές περιέγραψαν ένα σύστημα βιοφωταυγούς απεικόνισης που δημιούργησαν πρόσφατα. Γνωστό ως Ca2+ BioLuminescence Activity Monitor ή CaBLAM το εργαλείο αυτό μπορεί να καταγράφει δραστηριότητα στο επίπεδο μεμονωμένων κυττάρων και ακόμη μικρότερων κυτταρικών δομών. Αποδίδει καλά σε ποντίκια και ψάρια ζέβρες, υποστηρίζει καταγραφές που διαρκούν πολλές ώρες και εξαλείφει την ανάγκη για εξωτερικό φωτισμό.
Ο Νέιθαν Σάνερ αναπληρωτής καθηγητής νευροεπιστήμης και φαρμακολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, ηγήθηκε της ανάπτυξης της μοριακής συσκευής που κατέστησε δυνατή τη δημιουργία του CaBLAM. «Το CaBLAM είναι ένα πραγματικά εντυπωσιακό μόριο που δημιούργησε ο Nathan. Ανταποκρίνεται πλήρως στο όνομά του» λέει ο Μουρ.
Η σημασία της παρακολούθηση της δραστηριότητας των εγκεφαλικών κυττάρων
Η κατανόηση της συμπεριφοράς των ζωντανών εγκεφαλικών κυττάρων με την πάροδο του χρόνου είναι απαραίτητη για τη μελέτη του τρόπου λειτουργίας των βιολογικών συστημάτων εξήγησε ο Μουρ. Σήμερα οι περισσότεροι ερευνητές βασίζονται σε μεθόδους απεικόνισης που χρησιμοποιούν φθορίζοντες γενετικά κωδικοποιημένους δείκτες ιόντων ασβεστίου.
«Με τον φθορισμό, φωτίζεις κάτι με δέσμες φωτός και λαμβάνεις πίσω φως διαφορετικού μήκους κύματος. Μπορείς να κάνεις αυτή τη διαδικασία ευαίσθητη στο ασβέστιο ώστε οι πρωτεΐνες να εκπέμπουν διαφορετική ποσότητα ή χρώμα φωτός, ανάλογα με το αν υπάρχει ασβέστιο με ισχυρό σήμα» λέει ο Μουρ.
Παρότι οι φθορίζοντες δείκτες χρησιμοποιούνται ευρέως ο Μουρ σημειώνει ότι έχουν σοβαρούς περιορισμούς στην έρευνα του εγκεφάλου. Η παρατεταμένη έκθεση σε έντονο εξωτερικό φως μπορεί να προκαλέσει βλάβες στα κύτταρα. Ο ισχυρός φωτισμός μπορεί επίσης να αλλοιώσει τα φθορίζοντα μόρια, ώστε να σταματήσουν να εκπέμπουν επαρκές φως, μια διαδικασία γνωστή ως φωτολεύκανση, που περιορίζει τη διάρκεια των πειραμάτων. Επιπλέον η παροχή φωτός στον εγκέφαλο απαιτεί συνήθως επεμβατικό εξοπλισμό, όπως λέιζερ και οπτικές ίνες.
Γιατί η βιοφωταύγεια λειτουργεί καλύτερα
Η βιοφωταυγής απεικόνιση αποφεύγει πολλά από αυτά τα προβλήματα. Σε αυτή την προσέγγιση, το φως παράγεται εσωτερικά όταν ένα ένζυμο διασπά ένα συγκεκριμένο μικρό μόριο. Επειδή δεν απαιτείται έντονο εξωτερικό φως, δεν υπάρχει φωτολεύκανση ούτε φωτοτοξική επίδραση καθιστώντας τη μέθοδο ασφαλέστερη για τον εγκεφαλικό ιστό. Επιπλέον, βελτιώνει την ορατότητα.
«Ο εγκεφαλικός ιστός ήδη εκπέμπει ένα αμυδρό φως όταν χτυπιέται από εξωτερικό φωτισμό, δημιουργώντας θόρυβο στο υπόβαθρο. Επιπλέον, ο εγκεφαλικός ιστός διασκορπίζει το φως, θολώνοντας τόσο το φως που εισέρχεται όσο και το σήμα που εξέρχεται. Αυτό κάνει τις εικόνες πιο αχνές και πιο δύσκολες να διακριθούν σε βάθος. Ο εγκέφαλος δεν παράγει φυσικά βιοφωταύγεια, οπότε όταν οι τροποποιημένοι νευρώνες λάμπουν μόνοι τους, ξεχωρίζουν σε σκοτεινό φόντο με ελάχιστες παρεμβολές. Και με τη βιοφωταύγεια, τα εγκεφαλικά κύτταρα λειτουργούν σαν τους δικούς τους προβολείς» εξηγεί ο Σάνερ
Ο Μουρ λέει ότι αν και η χρήση της βιοφωταύγειας για τη μελέτη της εγκεφαλικής δραστηριότητας συζητείται εδώ και δεκαετίες οι προηγούμενες προσπάθειες απέτυχαν να παράγουν αρκετά έντονο φως για λεπτομερή απεικόνιση. Αυτός ο περιορισμός έχει πλέον ξεπεραστεί.
Η ανακάλυψη πίσω από το CaBLAM
«Η παρούσα εργασία είναι συναρπαστική για πολλούς λόγους. Αυτά τα νέα μόρια μας έδωσαν για πρώτη φορά τη δυνατότητα να βλέπουμε μεμονωμένα κύτταρα να ενεργοποιούνται ανεξάρτητα, σχεδόν σαν να χρησιμοποιούμε μια εξαιρετικά ευαίσθητη κινηματογραφική κάμερα για να καταγράψουμε τη δραστηριότητα του εγκεφάλου την ώρα που συμβαίνει» εξηγεί ο Μουρ.
Χρησιμοποιώντας το CaBLAM, οι επιστήμονες μπορούν να παρακολουθούν τη συμπεριφορά μεμονωμένων νευρώνων σε ζωντανά εργαστηριακά ζώα, συμπεριλαμβανομένης της δραστηριότητας σε διαφορετικά τμήματα ενός μόνο κυττάρου. Στη μελέτη η ομάδα παρουσίασε αποτελέσματα από μια συνεχή καταγραφή διάρκειας πέντε ωρών, κάτι που δεν θα ήταν δυνατό με τις παραδοσιακές τεχνικές φθορισμού.
«Για τη μελέτη σύνθετης συμπεριφοράς ή μάθησης, η βιοφωταύγεια επιτρέπει την καταγραφή ολόκληρης της διαδικασίας, με λιγότερο εξοπλισμό» λέει ο Μουρ.
Διεύρυνση των δυνατοτήτων της έρευνας του εγκεφάλου
Το έργο CaBLAM αποτελεί μέρος μιας ευρύτερης προσπάθειας του Κέντρου Βιοφωταύγειας για την ανάπτυξη νέων τρόπων παρατήρησης και επηρεασμού της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Ένα εν εξελίξει έργο χρησιμοποιεί ένα ζωντανό κύτταρο για να εκπέμψει μια λάμψη φωτός που ανιχνεύεται από ένα γειτονικό κύτταρο, επιτρέποντας στους νευρώνες να επικοινωνούν με το ίδιο το φως. Η ομάδα εργάζεται επίσης σε μεθόδους που χρησιμοποιούν το ασβέστιο για τον έλεγχο της κυτταρικής συμπεριφοράς.
Καθώς αυτά τα έργα προχωρούσαν, οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι φωτεινότεροι και πιο αποτελεσματικοί αισθητήρες ασβεστίου ήταν απαραίτητοι για όλα. Η βελτίωση αυτών των αισθητήρων έχει πλέον γίνει κεντρικός στόχος.
«Φροντίσαμε, ως κέντρο που προσπαθεί να προωθήσει τον τομέα, να δημιουργήσουμε όλα τα απαραίτητα δομικά στοιχεία» σημειώνει Μουρ που πιστεύει ότι το CaBLAM θα μπορούσε στο μέλλον να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη δραστηριότητας και σε άλλα μέρη του σώματος, όχι μόνο στον εγκέφαλο.
«Αυτή η πρόοδος επιτρέπει ένα εντελώς νέο φάσμα επιλογών για να δούμε πώς λειτουργούν ο εγκέφαλος και το σώμα», είπε, «συμπεριλαμβανομένης της παρακολούθησης δραστηριότητας σε πολλαπλά μέρη του σώματος ταυτόχρονα».
