İnvaziv olmayan kalsiyum ölçümleri, nöronların farklı davranış biçimlerindeki rollerini ortaya çıkarabilir. Kalsiyum çoğu hücre için kritik bir sinyal molekülüdür ve özellikle nöronlarda önemlidir. Beyin hücrelerinde kalsiyum görüntüleme, nöronların birbirleriyle nasıl iletişim kurduğunu ortaya çıkarabilir. Bununla birlikte, mevcut görüntüleme teknikleri beyne sadece birkaç milimetre nüfuz edebilir.
MIT araştırmacıları, manyetik rezonans görüntülemeye (MRG) dayanan kalsiyum aktivitesinin görüntülenmesi için yeni bir yöntem geliştirdiler ve beyine daha derinden bakmalarına izin verdiler. Bu tekniği kullanarak, canlı hayvanların nöronlarındaki sinyalleşme süreçlerini izleyerek, sinirsel aktiviteyi belirli davranışlarla ilişkilendirmelerini sağlayabilecekler.
MIT McGovern Beyin Araştırma Enstitüsü Biyolojik Mühendislik, Beyin ve Bilişsel Bilimler ile Nükleer Bilim ve Mühendislik Profesörü Alan Jasanoff: “Bu makale, nörobilimde yaygın olarak kullanılan güçlü optik yaklaşımlara doğrudan benzeyen, ancak şimdi de bu tür ölçümlerin in vivo olarak derin dokuda yapılmasını sağlayan, hücre içi kalsiyum sinyallemesinin ilk MRG tabanlı tespitini anlatıyor.”
Hücrelere Almak
Dinlenme hallerinde, nöronlar çok düşük kalsiyum seviyelerine sahiptir. Ancak, elektriksel bir atım olduğunda, kalsiyum hücreye taşar. Son yıllarda, bilim insanları kalsiyumun floresan molekülleri ile etiketlenerek, bu aktiviteyi görüntülemenin yollarını buldular. Bu, bir laboratuvar kabında veya canlı hayvanların beyninde yetişen hücrelerde yapılabilir. Ancak bu tür mikroskopi görüntülemesi; çoğu çalışmayı beynin yüzeyinde sınırlandırarak, sadece birkaç milimetrenin dokusuna nüfuz edebilir.
Jasanoff: “Bu araçlarla yapılan inanılmaz şeyler var, ancak biz sadece kendimizin ve başkalarının hücresel düzeyde sinyallerde daha derin görünmesine izin verecek bir şey istedik.”
Bunu başarmak için, MIT ekibi; enjekte edilen bir kontrast maddesi ile hücrelerin içindeki su molekülleri arasındaki manyetik etkileşimleri tespit ederek çalışan, invazif olmayan bir teknik olan MRG’ye döndü.
Birçok bilim insanı MRG tabanlı kalsiyum sensörleri üzerinde çalışıyorlar. Ancak asıl engel; beyin hücrelerinin içine girebilecek bir kontrast maddesi geliştirmek. Geçen yıl, Jasanoff’un laboratuvarı, hücre dışı kalsiyum konsantrasyonlarını ölçebilen bir MRG sensörü geliştirdi, ancak bunlar hücrelere giremeyecek kadar büyük nanopartiküllere dayanıyordu.
Araştırmacılar yeni hücre içi kalsiyum sensörlerini oluşturmak için hücre zarından geçebilecek yapı taşları kullandılar. Kontrast maddesi; hücre zarlarına nüfuz edebilen organik bir bileşiğe bağlanan, manyetik alanlarla zayıf etkileşime giren bir metal olan manganez içerir. Bu kompleks aynı zamanda şelatör* adı verilen kalsiyum bağlayıcı bir kol içerir.
Hücrenin içine girdikten sonra, eğer kalsiyum seviyesi düşükse, kalsiyum şelatörü, manganez atomuna zayıf bir şekilde bağlanır ve manganezin MRG tespitinden korunmasını sağlar. Kalsiyum hücreye aktığında, şelatör kalsiyuma bağlanır ve kontrast ajanın bir MR görüntüsünde daha parlak görünmesini sağlayan manganez salgılar.
Araştırmacı Jasanoff: “Nöronlar veya glia adı verilen diğer beyin hücreleri uyarıldığında, kalsiyum konsantrasyonunda on kattan fazla artış yaşarlar. Sensörümüz bu değişiklikleri tespit edebiliyor.”
Hassas Ölçümler
Araştırmacılar, hareketlerini planlamak ve yeni davranışlar öğrenmekle ilgilenen beyin içindeki derin bir bölge olan striatum’a** enjekte ederek sensörlerini farelerde test ettiler. Daha sonra, striatum nöronlarındaki elektriksel aktiviteyi uyarmak için potasyum iyonları kullandılar ve bu hücrelerde kalsiyum tepkisini ölçebildiler.
Jasanoff, bu tekniği belirli davranışlarda veya eylemlerde yer alan küçük nöron kümelerini tanımlamak için kullanmayı umuyor. Bu yöntem, hücrelerin içindeki sinyalleri doğrudan ölçtüğü için beyindeki kan akışını ölçen geleneksel fonksiyonel MRG’ye (fMRI) göre nöron aktivitesinin yeri ve zamanlaması hakkında çok daha kesin bilgiler sunabilir. Ayrıca, beyindeki farklı yapıların uyaranları işlemek veya davranışları koordine etmek için nasıl birlikte çalıştığını tanımlamayı sağlayabilir.
Ek olarak, bu teknik; immün hücrelerin aktivasyonunu kolaylaştırmak gibi birçok başka rolü yerine getirirken, kalsiyumu görüntülemek için de kullanılabilir. Daha fazla değişiklik yapılması durumunda; bir gün beyni veya işlevleri kalp gibi kalsiyum kullanan diğer organların tanısal görüntülemesini yapmak için de kullanılabilir.
*Şelasyon: (çelasyon, veya kıskaçlama terimleri de kullanılır) İki veya çok dişli bir kimyasal ligandın iyonik bir substrata bağlanması veya komplekslenmesidir.
**Striatum: Beynin karar ve hareket mekanizmasını yöneten iç çekirdeğinin (basal ganglia) bir kısmıdır.