MIT-neurowetenschappers hebben een nieuwe magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) -sensor ontwikkeld waarmee ze neurale activiteit diep in de hersenen kunnen volgen door calciumionen te volgen.

Omdat calciumionen direct gekoppeld zijn aan neuronale vuren, in tegenstelling tot de veranderingen in de bloedstroom die worden gedetecteerd door andere soorten MRI, die een indirect signaal afgeven - dit nieuwe type detectie zou onderzoekers in staat kunnen stellen specifieke hersenfuncties te koppelen aan hun patroon van neuronactiviteit, en om te bepalen hoe verre hersengebieden met elkaar communiceren tijdens bepaalde taken.

"Concentraties van calciumionen zijn nauw gecorreleerd met signaalgebeurtenissen in het zenuwstelsel, " zegt Alan Jaspers, een MIT-professor biologische engineering, hersen- en cognitieve wetenschappen, en nucleaire wetenschap en techniek, een geassocieerd lid van MIT's McGovern Institute for Brain Research, en de senior auteur van de studie. "We hebben een sonde ontworpen met een moleculaire architectuur die relatief subtiele veranderingen in extracellulair calcium kan detecteren die gecorreleerd zijn met neurale activiteit."

In tests bij ratten, de onderzoekers toonden aan dat hun calciumsensor nauwkeurig veranderingen in neurale activiteit kan detecteren die worden veroorzaakt door chemische of elektrische stimulatie, diep in een deel van de hersenen dat het striatum wordt genoemd.

MIT-onderzoeksmedewerkers Satoshi Okada en Benjamin Bartelle zijn de hoofdauteurs van de studie, die verschijnt in het nummer van 30 april van Natuur Nanotechnologie . Andere auteurs zijn onder meer hoogleraar hersen- en cognitieve wetenschappen Mriganka Sur, Onderzoeksmedewerker Nan Li, postdoc Vincent Breton-Provencher, voormalig postdoc Elisenda Rodriguez, Wellesley College student Jiyoung Lee, en middelbare scholier James Melican.

Calcium volgen

Een steunpilaar van neurowetenschappelijk onderzoek, Met MRI kunnen wetenschappers delen van de hersenen identificeren die tijdens bepaalde taken actief zijn. De meest gebruikte soort, bekend als functionele MRI, meet de bloedstroom in de hersenen als een indirecte marker van neurale activiteit. Jasanoff en zijn collega's wilden een manier bedenken om patronen van neurale activiteit in kaart te brengen met een specificiteit en resolutie die op bloedstroom gebaseerde MRI-technieken niet kunnen bereiken.

"Methoden die hersenactiviteit in diep weefsel in kaart kunnen brengen, zijn afhankelijk van veranderingen in de bloedstroom, en die zijn gekoppeld aan neurale activiteit via veel verschillende fysiologische paden, "zegt Jasanoff. "Als gevolg daarvan, het signaal dat je uiteindelijk ziet, is vaak moeilijk toe te schrijven aan een bepaalde onderliggende oorzaak."

Calciumionenstroom, anderzijds, direct in verband kunnen worden gebracht met neuronactiviteit. Wanneer een neuron een elektrische impuls afvuurt, calciumionen dringen de cel binnen. Ongeveer een decennium lang, neurowetenschappers hebben fluorescerende moleculen gebruikt om calcium in de hersenen te labelen en het af te beelden met traditionele microscopie. Met deze techniek kunnen ze de activiteit van neuronen nauwkeurig volgen, maar het gebruik ervan is beperkt tot kleine delen van de hersenen.

Het MIT-team ging op zoek naar een manier om calcium in beeld te brengen met behulp van MRI, waardoor veel grotere weefselvolumes kunnen worden geanalyseerd. Om dat te doen, ze ontwierpen een nieuwe sensor die subtiele veranderingen in calciumconcentraties buiten cellen kan detecteren en reageert op een manier die kan worden gedetecteerd met MRI.

De nieuwe sensor bestaat uit twee soorten deeltjes die samenklonteren in aanwezigheid van calcium. De ene is een van nature voorkomend calciumbindend eiwit, synaptotagmine genaamd, en de andere is een magnetisch ijzeroxide nanodeeltje gecoat in een lipide dat ook kan binden aan synaptotagmine, maar alleen als er calcium aanwezig is.

Calciumbinding zorgt ervoor dat deze deeltjes samenklonteren, waardoor ze donkerder lijken op een MRI-beeld. Hoge niveaus van calcium buiten de neuronen correleren met lage neuronactiviteit; wanneer de calciumconcentraties dalen, het betekent dat neuronen in dat gebied elektrische impulsen afvuren.

Hersenactiviteit detecteren

Om de sensoren te testen, de onderzoekers injecteerden ze in het striatum van ratten, een regio die betrokken is bij het plannen van beweging en het aanleren van nieuw gedrag. Vervolgens gaven ze de ratten een chemische stimulus die korte perioden van neurale activiteit veroorzaakt, en ontdekte dat de calciumsensor deze activiteit weerspiegelde.

Ze ontdekten ook dat de sensor activiteit oppikte die werd veroorzaakt door elektrische stimulatie in een deel van de hersenen dat betrokken is bij beloning.

De huidige versie van de sensor reageert binnen enkele seconden na de initiële hersenstimulatie, maar de onderzoekers werken eraan om dat te versnellen. Ze proberen ook de sensor aan te passen zodat deze zich door een groter deel van de hersenen kan verspreiden en door de bloed-hersenbarrière kan gaan. waardoor het mogelijk zou zijn om de deeltjes af te leveren zonder ze rechtstreeks op de testlocatie te injecteren.

Met dit soort sensoren Jasanoff hoopt patronen van neurale activiteit met grotere precisie in kaart te brengen dan nu mogelijk is. "Je zou je kunnen voorstellen de calciumactiviteit in verschillende delen van de hersenen te meten en te proberen te bepalen, bijvoorbeeld, hoe verschillende soorten sensorische stimuli op verschillende manieren worden gecodeerd door het ruimtelijke patroon van neurale activiteit dat ze induceren, " hij zegt.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.