Neuronen zijn hersencellen die met elkaar communiceren door elektrochemische signalen langs axonen te sturen. Wanneer een neuron op het punt staat een signaal af te geven in de vorm van een elektrische lading, het laat ionen door het membraan gaan via ionenkanalen. Deze ionenoverdracht creëert een elektrisch potentiaalverschil tussen de binnen- en buitenkant van de cel, en dat verschil wordt de membraanpotentiaal genoemd.

Een team van onderzoekers van het Laboratorium voor fundamentele BioPhotonics (LBP) binnen EPFL's School of Engineering (STI) heeft een manier bedacht om veranderingen in membraanpotentiaal te volgen en ionenfluxen te observeren door het gedrag van de watermoleculen rond de membranen van de neuronen. De onderzoekers, die hun methode met succes hebben getest op in vitro muisneuronen, hebben zojuist hun bevindingen gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Geen elektroden of fluoroforen meer

Een beter begrip van de elektrische activiteit van neuronen zou inzicht kunnen geven in een aantal processen die in onze hersenen plaatsvinden. Bijvoorbeeld, wetenschappers konden zien of een neuron actief is of rust, of als het reageert op medicamenteuze behandeling. Tot nu toe, de enige manier om neuronen te volgen was door fluoroforen te injecteren in, of het bevestigen van elektroden op, het deel van de hersenen dat wordt bestudeerd, maar fluoroforen kunnen giftig zijn, en elektroden kunnen de neuronen beschadigen.

Onlangs, de LBP-onderzoekers ontwikkelden een manier om elektrische activiteit in neuronen te volgen door simpelweg te kijken naar de interacties tussen watermoleculen en de neurale membranen. "Neuronen zijn omgeven door watermoleculen, die van richting veranderen in aanwezigheid van een elektrische lading, " zegt Sylvie Roke, directeur van het LBP. "Als de membraanpotentiaal verandert, de watermoleculen zullen zich opnieuw oriënteren - en dat kunnen we waarnemen."

In hun studie hebben de onderzoekers veranderden het neuronale membraanpotentieel door de neuronen te onderwerpen aan een snelle instroom van kaliumionen. Dit zorgde ervoor dat de ionenkanalen op het oppervlak van de neuronen - die dienen om de membraanpotentiaal te reguleren - open gingen en de ionen doorlieten. De onderzoekers zetten vervolgens de stroom van ionen uit, en de neuronen lieten de ionen vrij die ze hadden opgepikt.

Om deze activiteit te monitoren, de onderzoekers onderzochten de gehydrateerde neuronale lipidemembranen door de cellen te verlichten met twee laserstralen van dezelfde frequentie. Deze bundels bestaan ​​uit femtoseconde laserpulsen - met behulp van technologie waarvoor de Nobelprijs voor natuurkunde 2018 is toegekend - zodat de watermoleculen op het grensvlak van het membraan fotonen genereren met een andere frequentie, bekend als tweede harmonisch licht.

"We zien zowel fundamentele als toegepaste implicaties van ons onderzoek. Het kan ons niet alleen helpen de mechanismen te begrijpen die de hersenen gebruiken om informatie te verzenden, maar het kan ook aantrekkelijk zijn voor farmaceutische bedrijven die geïnteresseerd zijn in in vitro producttesten, " voegt Roke toe. "En we hebben nu aangetoond dat we een enkel neuron of een willekeurig aantal neuronen tegelijk kunnen analyseren."