Kigger ind i hjernen

Midt i et kulsort rum ligger en helt speciel mus ubevægelig på en mikroskopscene. Måneder før havde musen skåret to små huller ud af dens kranium, som afslørede duraen - hjernens ydre membran - og blodkarrene nedenfor. Hullerne er permanent dækket med klart glas, så forskerne kan kigge direkte ind i musens hjerne, hvor nogle af dens neuroner lyser grønt under laserlyset fra et mikroskop.

For billeder af dette hjerneovervågningslaboratorium, Klik her .

Denne historie var en del af vores september 2006-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Mens den bedøvede mus sover, tager Wei-Chung Lee, en postdoc ved MIT's Picower Center for Learning and Memory, en række billeder af en enkelt neuron. Han vil kombinere disse billeder til et 3-D-billede af neuronen og sammenligne det med et billede af den samme celle, der blev skabt for en uge siden, for at bestemme, hvordan det har ændret sig over tid.

Teknikken har givet MIT-forskere et hidtil uset blik på den overraskende vækst af neuroner i løbet af en voksen muss hverdag. Du ser hele spektret af typer af vækst, du ser under udvikling, såsom vækstspring, forlængelser, tilbagetrækninger eller nye tilføjelser, siger Elly Nedivi, lektor i neurobiologi ved MIT, der leder forskningen. Det er, hvad hjernen gør i det daglige. Nedivi hjalp med at udvikle den nye billedbehandlingsprocedure i samarbejde med Peter So, en billedbehandlingsekspert i MITs bioingeniørafdeling, i håb om bedre at kunne udforske ændringer i komplekse net af grenlignende projektioner, der videresender beskeder mellem neuroner. Det, hun har fundet, hjælper med at ændre det videnskabelige billede af hjernen.

Engang troede videnskabsmænd, at den voksne hjerne for det meste var statisk i strukturen - at efter de neurale vækstspring i spædbarns- og ungdomsårene blev forbindelser mellem neuroner permanent lagt ud, som et netværk af asfalterede veje. Men en voksende mængde af beviser tyder på, at den voksne hjerne har en overraskende evne til at reorganisere. Nedivi og hendes team har ydet ny støtte til denne idé, hvilket giver det første bevis i levende dyr på, at neuronernes informationsudvekslingsprojektioner kan vokse og trække sig tilbage i voksenalderen på måder, der er kvalitativt magen til, hvad de gør tidligt i livet.

Neurovidenskabsmænd vidste, at nogle neurale ændringer skal finde sted i den voksne hjerne, fordi vi fortsætter med at lære hele livet. Men folk vidste ikke, om denne plasticitet var ledsaget af strukturelle ændringer, siger David Kleinfeld, en neuroforsker ved University of California, San Diego. Nedivi og hendes samarbejdspartnere, siger han, har vist, at neuroner af mindst én bestemt type fortsætter med at vokse og udvikle sig i den voksne mus.

Nøglen til Nedivis opdagelse var evnen til at se på den samme neuron i et levende dyr uge efter uge. Mest tidligere forskning om neuroplasticitet - hjernens evne til at danne nye neurale forbindelser - undersøgte hjerneskiver, dele af hjernen, der holdes i live i kort tid. Selvom sådanne in vitro-undersøgelser gør det muligt for forskere at teste, hvordan neurale forbindelser påvirkes af specifikke faktorer, såsom stød af elektricitet eller forskellige typer lægemidler, kan de ikke vise, hvad der sker med neuroner i den levende hjerne, når et dyr bliver gammelt eller udvikler sig en sygdom, eller er opvokset i isolation.

At se på den samme celle i en periode på uger kan afsløre den langsomme vækst af neuroner i hjernen. Nedivi håber at bruge processen til at afgøre, hvad der går galt i hjernen på mus, der er udviklet til at modellere Alzheimers og skizofreni. Sådanne undersøgelser vil tilbyde både ny information om de menneskelige sygdomme og en måde at teste nye terapier på.

Forskerne håber også at finde ud af de bedste måder at tilskynde hjerneceller til at vokse. Hvis neuroner kunne lokkes til at skabe nye fremspring i specifikke dele af hjernen eller rygmarven, kan de muligvis kompensere for skaden forårsaget af rygmarvsskade eller slagtilfælde.

Et blomstrende træ

For at se neuroner i den levende hjerne satte Nedivi og hendes samarbejdspartnere vinduer i kranierne på mus, der er gensplejset til at producere et fluorescerende farvestof i nogle få tilfældigt udvalgte hjerneceller. Gennem vinduerne tager de billeder af de fluorescerende neuroner ved hjælp af et to-fotonmikroskop, et instrument, der skaber billeder i meget høj opløsning.

En ultrahurtig titanium-safirlaser sender lyspakker gennem en kompleks serie af linser og spejle, som leder lyset ind på individuelle celler i hjernen på den bedøvede mus. Det fluorescerende farvestof i de udvalgte neuroner lyser kun, hvis to fotoner rammer et farvestofmolekyle på nøjagtig samme tid, hvilket giver mulighed for mere præcis billeddannelse af cellerne. (Dette er grunden til, at rummet skal være kulsort: ethvert uvedkommende lys ville blive opfanget af mikroskopets fotondetektor, hvilket gør det resulterende billede tilsmudsende. Forskere bærer pandelamper, hvis de skal justere udstyr.)

Neuroner består af en central cellekrop og en række forgrenede projektioner, der strækker sig ind i forskellige dele af hjernen for at sende og modtage elektriske signaler. For at fange hele strukturen af ​​en given neuron, scanner laseren den i vandrette tværsnit og dykker dybere ind i hjernen med hvert sweep. Forskere gennemgår billederne – som ligner Jackson Pollock-malerier – og vælger de former, der svarer til projektionerne. Et computerprogram syr derefter billederne sammen for at skabe en 3-D-model.

For at registrere, hvordan neuronerne ændrer sig over tid, tager MIT-forskerne billeder af den samme neuron hver uge i flere uger ved at bruge nærliggende blodkar til at hjælpe med at lokalisere den. I et papir offentliggjort tidligere på året i Public Library of Science Biology , viste holdet, at dendritter – de fremspring, som neuroner bruger til at modtage information fra andre hjerneceller – kunne vokse og vride sig og bøje og sende nye skud ud som et blomstrende træ. Det er meget kraftfuldt - du kan faktisk se ændringerne, siger Lee. Og fordi billederne er indsamlet fra et levende dyr, siger han, fanger de hjernens adfærd meget mere præcist end billeder af en hjerneskive, hvor mange af de neurale forbindelser er afbrudt.

Denne form for vækst var aldrig set før i undersøgelser af levende dyr. Tidligere undersøgelser, der brugte to-foton-billeddannelse, fandt små strukturelle ændringer i dendritiske rygsøjler, små buler på overfladen af ​​dendritter. Men disse undersøgelser rekonstruerede kun små dele af hver neuron. Ved at modellere hele celler var Nedivi og kolleger i stand til at se større skalaændringer, som måske tidligere er gået ubemærket hen. Det, der er mest spændende ved deres arbejde, er, at det viser en uventet mængde dynamik i neuroner, siger Josh Sanes, en neuroforsker fra Harvard University, hvis laboratorium konstruerede de mus, der blev brugt i undersøgelsen.

Derudover fandt Nedivis team, at kun en bestemt type neuron gennemgår disse ændringer. Tidligere undersøgelser fokuserede på excitatoriske neuroner, som sender elektriske signaler, der får andre neuroner til at fyre. Hæmmende neuroner, på den anden side, frigiver kemikalier, der stopper andre neuroner i at skyde. Det er disse neuroner, der kan forlænge og trække nye projektioner tilbage. Hæmmende neuroner er mindre udbredte i hjernen end deres excitatoriske fætre og er mindre velundersøgte.

Vækstfaktorer

Nedivis første eksperimenter fokuserede på mus, der levede et standard laboratorieliv, men nu hvor hun og hendes team har defineret den normale mængde af neural plasticitet hos voksne, kan de undersøge, hvordan forskellige miljømæssige eller genetiske faktorer påvirker hjernens vækst. Tidligere forskning har for eksempel vist, at det at give unge gnavere legetøj eller opdrage dem i et varieret landskab ansporer til fødslen af ​​nye hjerneceller. To-foton billeddannelse vil give forskere mulighed for at udforske, hvordan det at leve i et komplekst miljø påvirker hjernens neurale organisering. Lee er for nylig begyndt at studere, hvordan visuel deprivation påvirker neural plasticitet i den visuelle cortex. Disse projekter vil hjælpe forskerne med at finde ud af, om forskellige miljøer får dyrenes neuroner til at vokse hurtigere eller omarrangere hyppigere, og om disse ændringer i sidste ende fører til forskelle i adfærd.

I mellemtiden, siger Nedivi, er hun blevet oversvømmet med anmodninger fra forskere, der studerer sygdomme som Alzheimers og skizofreni. Når vi først har karakteriseret problemet med hver sygdom – måske vokser færre fremskrivninger, eller kun en bestemt slags neuron er påvirket – så kan vi skræddersy behandlinger til det problem, siger hun. Vi kunne også bruge denne teknologi som en platform til at screene for terapier.

Selvfølgelig vil hvert eksperiment kræve måneder ved mikroskopet. Det tager timer at afbilde hver neuron og dage at konstruere en tredimensionel model ud fra de todimensionelle billeder. Derudover bliver forskerne nødt til omhyggeligt at sammenligne neuroner fra mange dyr for at få en fornemmelse af forskellene mellem opførsel af syge celler og sunde. Tid er desværre noget Nedivi ikke har i øjeblikket; laboratoriet bruger et tilpasset mikroskop i Sos laboratorium. En gang om ugen kasserer hendes elever deres mus og tager dem med til laboratoriet og afbilder så mange neuroner, som tiden tillader. Snart håber Nedivi at få de 500.000 dollars, der er nødvendige for at sætte et instrument op i sit eget laboratorium, hvilket ville give hendes forskere ubegrænset tid til at se hjernen i aktion.

skjule