Sporing af informationsflow i hjernen

Forskere ved MIT har konstrueret en calciumsensor i nanostørrelse, der i sidste ende kan kaste lys over den indviklede celle-til-celle-kommunikation, der udgør menneskelig tankegang. Alan Jasanoff og hans team ved Francis Bitter Magnet Lab og McGovern Institute of Brain Research har fundet ud af, at sporing af calcium, en nøglebudbringer i hjernen, kan være en mere præcis måde at måle neural aktivitet på sammenlignet med nuværende billeddannelsesteknikker, såsom traditionel funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI).

Når en neuron affyrer, frigiver den calcium. Alan Jasanoff ved McGovern Institute ved MIT brugte denne observation til at udvikle en ny måde at visualisere hjerneaktivitet ved hjælp af fMRI. Superparamagnetiske nanopartikler (illustreret her) er dækket med proteiner (røde og grønne), der samler sig, når calcium frigives af neuronen. Aggregering af disse partikler kan detekteres af MR-magneten.

FMRI bruger kraftige magneter til at registrere blodgennemstrømningen i hjernen, hvilket gør det muligt for forskere at se den menneskelige hjerne i aktion. Gennem en hurtig række snapshots kan videnskabsmænd observere nøgleområder i en persons hjerne, der lyser op som svar på en given opgave eller kommando. Teknologien er blevet brugt til at udpege de hjerneområder, der er involveret i alt fra grundlæggende motoriske og verbale færdigheder til mere skumle kognitive tilstande som jalousi, bedrag og moral.

Desværre har fMRI, som det bruges i dag, en stor ulempe: den måler blodgennemstrømning eller hæmodynamik, som er et indirekte mål for neural celleaktivitet. Det viser sig, at hæmodynamik grundlæggende introducerer en forsinkelse på fem sekunder, siger Jasanoff. Det forhindrer dig i at kunne opdage hurtig variation [i neural aktivitet].

Da neuroner typisk skyder i størrelsesordenen millisekunder, giver de nuværende fMRI-teknikker kun et groft skøn over, hvad hjernen laver på et givet tidspunkt. FMRI-scanninger har også en relativt lav rumlig opløsning, der måler aktivitet i områder på 100 mikron, et volumen, der typisk indeholder 10.000 neuroner, hver med forskellige aktiveringsmønstre.

Bestræbelser på at finjustere fMRI har fokuseret på at udvikle stærkere magneter og en bedre forståelse af blodgennemstrømning og dets forhold til hjerneaktivitet.

Men Jasanoff mener, at der er en bedre og mere præcis måde at spore neural aktivitet på. Han og hans team ser på calcium som et direkte mål for neuronal affyring. Når en neuron sender en elektrisk impuls til en anden neuron, åbner calciumspecifikke kanaler i neurons membran sig øjeblikkeligt og lader calcium strømme ind i cellen. Det er en meget dramatisk signalændring, siger Jasanoff.

Fluorescerende calciumsensorer bruges allerede i overfladisk optisk billeddannelse, men er endnu ikke blevet anvendt på de dybere hjernevæv, der er tilgængelige via de kraftige magneter fra fMRI-maskiner. Til det formål gik Jasanoffs laboratorium i gang med at designe en calciumsensor, der kunne detekteres via fMRI. For at gøre dette kombinerede de sensoren med en superparamagnetisk jernoxidnanopartikel - i det væsentlige en magnet i molekylstørrelse, der kan opfanges af fMRI som billeder med høj kontrast.

Selve sensoren er sammensat af to separate nanopartikler, hver belagt med et forskelligt protein: calmodulin og M13. I nærvær af calcium binder disse to proteiner sig sammen. I det væsentlige ... skabte vi to sæt velcro-bolde, siger Jasanoff. En har kroge og en har løkker, og de bliver kun til velcrokugler i nærværelse af calcium. Proteinerne skilles ad, når calcium forsvinder, en egenskab, der kan være nyttig til at fortolke strømmen af ​​elektrisk aktivitet i et kredsløb af neuroner under en given opgave - noget, der ikke er muligt med nutidens fMRI.

Jasanoffs forskning er kun et første skridt mod det mål. Indtil videre har han testet sensoren i reagensglasopløsninger med og uden calcium, hvor han har scannet interaktionerne med MR. De første resultater, offentliggjort i et nyligt nummer af Proceedings fra National Academies of Sciences, er lovende: scanninger var i stand til at opfange højkontrastbilleder af de velcro-lignende bolde, der grupperede sig i nærværelse af calcium. Selvom billederne kun var synlige efter mange sekunder eller endda minutter, siger Jasanoff, at sensoren er meget finjusteringsbar, og han planlægger at forbedre dens tidsrespons i fremtidige forsøg. For nu planlægger han at injicere calciumsensorer i enkelte celler af fluer og til sidst rotter.

Udefrakommende iagttagere kan lide Greg Sørensen fra Harvard Medical School er forsigtigt optimistiske med hensyn til denne nye generation af hjernebilleddannelse, især til menneskelige anvendelser. Sorensen, der er lektor i radiologi, er fokuseret på at anvende nye billeddiagnostiske teknikker til behandling af neurologiske sygdomme.

Intracellulære jernoxidpartikler har i nogle undersøgelser haft en ugunstig sikkerhedsprofil hos mennesker, siger Sorensen. Hvis vi lærte, at denne metode havde nogle risici, men til gengæld kunne identificere den bedste behandling for f.eks. skizofreni, så kan risikoen meget vel være fordelen værd.

skjule