Wetenschappers hebben tal van manieren om te kijken als individuele neuronen in een hersenvuur, elektrische signalen van de een naar de ander sturen, maar ze delen allemaal een fundamenteel probleem. Elke methode, of het nu gaat om elektrische sondes, chemische agentia of genetische modificaties, is op de een of andere manier invasiever dan neurowetenschappers zouden willen.

Dat kan binnenkort veranderen. Zoals Stanford-onderzoekers op 12 december rapporteren in Licht:wetenschap en toepassingen , ze hebben een manier ontwikkeld om te kijken hoe hersencellen elektrische signalen sturen met alleen licht, een paar lenzen en andere optische elementen, en een snelle videocamera.

De sleutel tot de nieuwe aanpak, zei Daniel Palanker, een professor in de oogheelkunde en senior auteur van het nieuwe artikel, is dat wanneer neuronen elektrische signalen afvuren, ze subtiel van vorm veranderen. Die verandering op nanometerschaal kan worden gemeten met optische technieken.

Tot dusver, Palanker, Tong Ling, een postdoctoraal onderzoeker en de hoofdauteur van het nieuwe artikel, en collega's hebben die minuscule vormveranderingen gemeten in netwerken van neuronachtige cellen in een laboratoriumschaal. Ze passen nu hun methoden aan om neuronen in de hersenen van levende dieren te bestuderen. Als dat lukt, het zou kunnen leiden tot een meer natuurlijke manier om op zijn minst sommige delen van de hersenen te bestuderen.

"Het is allemaal natuurlijk, geen chemische markers, geen elektroden, niets. Het zijn gewoon cellen zoals ze zijn, " zei Palanker, die lid is van Stanford Bio-X en het Wu Tsai Neurosciences Institute.

De vorm van dingen

Er gebeurt veel wanneer neuronen vuren. Er is natuurlijk het elektrische signaal zelf, die kunnen worden opgepikt door elektroden. Er zijn ook chemische veranderingen, die kunnen worden gedetecteerd met behulp van fluorescerende moleculen die oplichten wanneer een neuron vuurt.

En dan is er nog de vorm. Onderzoekers realiseerden zich voor het eerst dat neuronen van vorm veranderen door rivierkreeftneuronen meer dan 40 jaar geleden te bestuderen. In 1977 liet een team van Stanford- en UCSF-onderzoekers een laser op een rivierkreeftenneuron stuiteren terwijl het vuurde en liet zien dat de breedte ervan veranderde met ongeveer de dikte van een streng menselijk DNA.

Maar het vertalen van die resultaten naar een manier om neuronen optisch te observeren die in de hersenen van mensen of andere zoogdieren vuren, stond voor een aantal uitdagingen. Voor een ding, rivierkreeftenneuronen zijn 10 tot 100 keer dikker dan zoogdierneuronen. Voor een ander, de techniek die de oorspronkelijke groep gebruikte - een eenvoudige vorm van wat interferometrie wordt genoemd - kan slechts veranderingen in een enkel punt tegelijk meten, wat betekent dat het kan worden gebruikt om slechts een klein gebied van één cel tegelijk te bestuderen, in plaats van een beeld te vormen van de hele cel of zelfs een netwerk van neuronen die met elkaar communiceren in de hersenen.

Nieuw licht schijnen op het afvuren van neuronen

Om een ​​aantal van die problemen op te lossen, leng, Palanker en collega's wendden zich eerst tot een variatie op standaard interferometrie, kwantitatieve fasemicroscopie genaamd, waarmee onderzoekers hele microscopische landschappen in kaart kunnen brengen, bijvoorbeeld, het landschap van een netwerk van cellen gerangschikt op een glasplaat. De techniek is zo eenvoudig dat het kan worden gedaan door laserlicht door die cellen te laten schijnen, door een paar lenzen, filters en andere optische elementen en filters, en het opnemen van de output met een camera. Dat beeld kan vervolgens worden verwerkt om een ​​topografische kaart van de cellen te maken.

leng, Palanker en het team redeneerden dat ze de techniek konden gebruiken om te meten hoeveel neuronen van vorm veranderen wanneer ze vuren. Om het idee te testen, ze groeiden een netwerk van neuronachtige cellen op een glasplaat en gebruikten een videocamera om vast te leggen wat er gebeurde toen de cellen - eigenlijk van de nieren afgeleide cellen die waren aangepast om zich meer als neuronen te gedragen - afvuurden. Door de video te synchroniseren met elektrische opnamen en het gemiddelde te nemen van meer dan enkele duizenden voorbeelden, het team heeft een sjabloon gemaakt dat beschrijft hoe cellen bewegen wanneer ze vuren:gedurende ongeveer vier milliseconden, celdikte neemt toe met ongeveer drie nanometer, een verandering van ongeveer een honderdste van 1 procent. Zodra het de maximale dikte heeft bereikt, het duurt nog ongeveer een tiende van een seconde voordat de cel weer krimpt.

Hersencellen aan het werk zien

In de beginfase van het experiment het team had elektroden nodig om erachter te komen wanneer de cellen afvuurden. In de tweede fase, de teamleden lieten zien dat ze hun sjabloon konden gebruiken om celvuren te zoeken en te identificeren zonder afhankelijk te zijn van elektroden.

Nog altijd, er zijn een aantal stappen die moeten worden genomen voordat het team de methode in echte hersenen kan laten werken. Eerst, het team zal de techniek moeten laten werken in echte neuronen, in tegenstelling tot de neuronachtige cellen waar ze tot nu toe naar hebben gekeken. "Neuronen zijn kieskeuriger, "Palker zei, maar het team is er al mee gaan experimenteren.

Een tweede uitdaging is dat neuronen in echte hersenen niet in een enkele laag op een glasplaat zijn gerangschikt, net als de cellen die het laboratorium van Palanker heeft bestudeerd. Vooral, het team kan geen lasers door de hersenen laten schijnen en verwachten dat veel van alles aan de andere kant naar buiten komt, laat staan ​​bruikbare gegevens. Gelukkig, Palanker zei, de technieken die ze gebruikten met doorvallend licht werken op dezelfde manier in gereflecteerd licht, en de meeste neuronen reflecteren genoeg licht dat de benadering in theorie zou moeten werken.

Er is één beperking waar het team waarschijnlijk niet omheen kan:omdat licht niet diep in de hersenen doordringt, de nieuwe methode zal alleen in staat zijn om de buitenste lagen te onderzoeken. Nog altijd, voor projecten die alleen deze lagen moeten bestuderen, de techniek zou onderzoekers een schoner, eenvoudigere manier om de hersenen te bestuderen.

"Gebruikelijk, invasieve methoden beïnvloeden wat cellen doen, waardoor de metingen minder betrouwbaar zijn, ' zei Palanker. 'Hier doe je niets aan de cellen. Je ziet ze eigenlijk gewoon bewegen."