Floresan Beyin Probu, Hesaplanırken Nöron Gruplarını Görselleştirir
BIT hücreleri elektriksel olarak aktif olduğunda yanan bir flüoresan probu kullanarak, MIT ve Boston Üniversitesi araştırmacıları, birçok beyin hücresinin bir kerede farelerin beynindeki aktivitesini görüntüleyebileceklerini göstermiştir.
Floresan probu, bilim adamlarının beyindeki devreleri izlemelerine ve etkinliklerini belirli davranışlarla ilişkilendirmelerine izin verebilir.
BIT hücreleri elektriksel olarak aktif olduğunda yanan bir flüoresan probu kullanarak, MIT ve Boston Üniversitesi araştırmacıları, birçok beyin hücresinin bir kerede farelerin beynindeki aktivitesini görüntüleyebileceklerini göstermiştir.
Basit bir ışık mikroskobu kullanılarak gerçekleştirilebilen bu teknik, sinirbilimcilerin beyin içindeki devrelerin aktivitesini görselleştirmelerine ve bunları belirli davranışlara bağlamalarına olanak verebilir, diyor Neurotechnology'de Y. Eva Tan Profesörü ve biyoloji mühendisliği profesörü Edward Boyden MIT'de beyin ve bilişsel bilimler.
MIT'nin McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü Enstitüsü'nün üyesi olan Boyden, “Bir davranış veya bir hastalığı incelemek istiyorsanız, nöron popülasyonlarının aktivitesini bir ağda birlikte çalıştıkları için görüntülemelisiniz” diyor. ve Koch Bütünleştirici Kanser Araştırma Enstitüsü.
Bu voltaj algılayıcı molekülü kullanarak araştırmacılar, mevcut genetik olarak kodlanmış herhangi bir floresan voltaj sondasıyla mümkün olandan çok daha fazla nörondan elektriksel aktivite kaydedebileceklerini gösterdiler.
En üst sırada, nöronlar elektriksel aktiviteyi ortaya çıkaran bir flüoresan probu ile etiketlenmiştir. Alt sıradaki nöronlar, nöron hücre gövdelerinde spesifik olarak biriken, komşu nöronların aksonlarının parazitini önleyen bir prob çeşidi ile etiketlenir. Görüntü araştırmacıların izniyle
Boston Üniversitesi'nde biyomedikal mühendisliği doçenti olan Boyden ve Xue Han, 9 Ekim 2019'da Nature dergisinin çevrimiçi baskısında yer alan araştırmanın kıdemli yazarlarıdır. Makalenin baş yazarları MIT postdoc Kiryl Piatkevich, BU lisans öğrencisi Seth Bensussen ve BU araştırma bilimci Hua-an Tseng'dir.
Bağlantıları Görmek
Nöronlar, dünyadaki düşüncelerimiz, davranışlarımız ve algımızın altında yatan hızlı elektriksel uyarıları kullanarak hesaplarlar. Bu elektriksel aktiviteyi ölçmek için geleneksel yöntemler beyine bir elektrot yerleştirmeyi gerektirir, emek yoğun bir işlemdir ve genellikle araştırmacıların bir seferde yalnızca bir nörondan kayıt yapmalarını sağlar. Çok elektrotlu diziler elektriksel aktivitenin bir çok nörondan bir kerede izlenmesini sağlar, ancak tüm nöronları belirli bir hacim içinde alabilecek kadar yoğun bir şekilde numune almazlar. Kalsiyum görüntüleme bu tür yoğun örneklemeye izin verir, ancak dolaylı ve yavaş bir nöral elektriksel aktivite ölçüsü olan kalsiyumu ölçer.
2018 yılında Boyden ekibi, nöronları bir floresan probu ile etiketleyerek elektriksel aktiviteyi izlemek için alternatif bir yol geliştirdi. Yönlendirilmiş protein evrimi olarak bilinen bir teknik kullanan grubu, hücre zarına gömülü hale geldiği genetik olarak nöronlara yerleştirilebilen Archon1 adlı bir molekülü tasarladı. Bir nöronun elektriksel aktivitesi arttığında, molekül daha parlak hale gelir ve bu floresans standart bir ışık mikroskobu ile görülebilir.
2018'de, Boyden ve meslektaşları, molekülü şeffaf solucanlar ve zebra balığı embriyolarının beyinlerinde ve ayrıca fare beyin dilimlerinde elektriksel aktivite göstermek için kullanabileceklerini gösterdi. Yeni çalışmada, belirli bir davranışta bulunduklarında, uyanık fareleri canlı olarak kullanmayı denemek istediler.
Bunu yapmak için, araştırmacılar probu değiştirmek zorunda kaldılar, böylece nöron zarının bir alt bölgesine gidecekti. Molekül kendini hücre zarının tamamına yerleştirdiğinde, elde edilen görüntülerin bulanık olduğunu, çünkü nöronlardan uzanan aksonlar ve dendritlerin de flüoresan olduklarını buldular. Bunun üstesinden gelebilmek için araştırmacılar, probu özellikle nöronların hücre gövdelerinin zarlarına yönlendiren küçük bir peptid tutturdu. Bu modifiye proteini SomArchon olarak adlandırdılar.
Boyden, “SomArchon ile her hücreyi ayrı bir küre olarak görebiliyorsunuz” diyor. “Bir hücrenin ışığının tüm komşularını bulanıklaştırmasından ziyade, her hücre kendiliğinden yüksek sesle ve açıkça konuşabilir, komşuları tarafından kirletilmez.”
Araştırmacılar, bu probu, farelerin bir topun üzerinde koştuğu gibi hareket planlamada yer alan striatum denilen beynin bir bölümünde görüntü aktivitesinde kullandılar. Birkaç nörondaki aktiviteyi eşzamanlı olarak izleyebildiler ve her birinin aktivitesini farelerin hareketi ile ilişkilendirdiler. Fareler çalışırken bazı nöronların aktivitesi arttı, bazıları azaldı ve diğerleri önemli bir değişiklik göstermedi.
Han, “Yıllar geçtikçe laboratuvarım, voltaj sensörlerinin birçok farklı versiyonunu denedi ve hiçbiri yaşayan memeli beyinlerinde çalışmadı” dedi.
Bu flüoresan probu kullanarak araştırmacılar, elektrik probu tarafından kaydedilenlere benzer ölçümler elde edebildiler, bu da çok hızlı bir zaman çizelgesinde aktivite alabilir. Bu, ölçümleri, sinirbilimcilerin genellikle elektriksel aktivite için bir vekil olarak kullandıkları görüntüleme kalsiyum gibi mevcut tekniklerden daha bilgilendirici kılar.
Han “Elektriksel aktiviteyi milisaniye zaman çizelgesinde kaydetmek istiyoruz” diyor. “Kalsiyum görüntülemeden aldığımız zaman çizelgesi ve aktivite modelleri çok farklı. Bu kalsiyum değişikliklerinin elektrik dinamiği ile nasıl ilişkili olduğunu tam olarak bilmiyoruz. ”
Yeni voltaj sensörüyle, bir nöronda çivili ateşleme olmadığında bile, aktivitedeki çok küçük dalgalanmaları ölçmek de mümkündür. Bu, sinirbilimcilerin küçük dalgalanmaların bir nöronun daha önce canlı beyinlerde çok zor olan genel davranışını nasıl etkilediğini incelemelerine yardımcı olabilir, diyor Han.
Harvard Üniversitesi'nde kimya, kimyasal biyoloji ve fizik profesörü olan Adam Cohen, uyanık farelerin beynindeki gerilimi görüntülemek için “yeni ve güçlü bir genetik araç ortaya koyuyor” diyor.
“Önceden, araştırmacılar elektrik kayıtları yapmak için ince cam kılcal damarlı nöronları yaymak zorunda kalıyorlardı ve bir seferde yalnızca bir ya da iki hücreden kayıt yapmak mümkündü. Boyden takımı bir seferde yaklaşık 10 hücreden kayıt yaptı. Çok fazla hücre var, ”diyor araştırmaya dahil olmayan Cohen. “Bu araçlar sinirsel aktivitenin istatistiksel yapısını incelemek için yeni olanaklar sunuyor. Ancak bir fare beyni yaklaşık 75 milyon nöron içeriyor, bu yüzden hala daha çok yolumuz var. ”
Harita Devreleri
Araştırmacılar ayrıca, bu görüntüleme tekniğinin, Boyden laboratuarı tarafından geliştirilen bir teknik ve araştırmacıların ışığa duyarlı proteinleri eksprese etmek için onları mühendislerle nöronları açıp kapatmasına izin veren bir teknik olan optogenetikle birleştirilebileceğini gösterdi. Bu durumda, araştırmacılar belirli nöronları ışıkla harekete geçirmiş ve daha sonra bu nöronlarda ortaya çıkan elektriksel aktiviteyi ölçmüştür.
Bu görüntüleme teknolojisi, Boyden'in laboratuarının, beyin dokusunu görüntülemeden önce genişletmek için geliştirdiği bir teknik olan genleşme mikroskopisi ile de birleştirilebilir ve nöronlar arasındaki anatomik bağlantıların yüksek çözünürlükte görülmesini kolaylaştırır.
Boyden, “Rüya denemelerimden biri beynindeki tüm aktivitelerin görüntülenmesi ve daha sonra bu nöronlar arasındaki kabloları bulmak için genişleme mikroskopisi kullanmak” diyor. “Öyleyse sinirsel hesaplamaların kablolamadan nasıl ortaya çıktığını tahmin edebilir miyiz?”
Bu kablolama şemaları, araştırmacıların beyin bozukluklarının altında yatan devre anormalliklerini belirlemelerine izin verebilir ve araştırmacıların insan beynini daha fazla taklit eden yapay zekayı tasarlamalarına da yardımcı olabilir.
Araştırmanın MIT kısmı, Direktörün Öncü Ödülü, Charles Hieken, John Doerr, Ulusal Bilim Vakfı, HHMI-Simons Fakültesi Bursiyerleri ve İnsan Cephesi Bilim Programı dahil Ulusal Sağlık Enstitüleri Edward ve Kay Poitras tarafından finanse edildi. ve ABD Ordusu Araştırma Ofisi.