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Fluoreszierendes Protein erhellt das Innenleben des Gehirns
Interaktionen zwischen Neuronen beinhalten sowohl chemische als auch elektrische Signale. Seit Jahrzehnten suchen Neurowissenschaftler nach einer nicht-invasiven Möglichkeit, das elektrische Bauteil zu messen. Dies könnte es erleichtern, zu untersuchen, wie das Gehirn funktioniert und wie neurologische Erkrankungen seine Funktion beeinträchtigen.
Aufleuchten: Das Anlegen von Spannung an die hier gezeigten Neuronen verursachte eine Zunahme der Fluoreszenz.
Ein vielversprechender Ansatz ist die Verfolgung neuronaler elektrischer Aktivität mit Fluoreszenz, die durch Genetik oder durch Anheftung an Antikörper relativ leicht in Zellen integriert werden kann, aber toxisch und langsam wirken kann. Letzte Woche stellten Forscher einen neuen Kandidaten vor – ein fluoreszierendes Protein aus einer Mikrobe aus dem Toten Meer – das für diese Herausforderung besser gerüstet zu sein scheint.
Das Protein namens Archaerhodopsin-3 oder Arch wurde vor mehr als 10 Jahren entdeckt, aber Wissenschaftler beginnen erst jetzt, sein Potenzial als Forschungswerkzeug zu erkennen. In einer im letzten Jahr veröffentlichten Studie verwendeten Forscher Licht, um eine elektrische Reaktion von Arch auszulösen, die überaktive Neuronen zum Schweigen brachte – ein Ansatz, der zu neuen Therapeutika für Epilepsie und andere Anfallsleiden führen könnte.
In dieser Studie gingen die Forscher den umgekehrten Weg und verwendeten Elektrizität, um Veränderungen in der Fluoreszenz von Arch hervorzurufen. Der Ansatz könnte zu genaueren Methoden zur Aufzeichnung elektrischer Signale aus dem Gehirn führen.
Die Ergebnisse, veröffentlicht in Naturmethoden , weisen darauf hin, dass Arch der nichtinvasive Spannungssensor sein könnte, nach dem Neurowissenschaftler gesucht haben: Er ist nicht toxisch für Zellen, und er ist empfindlich und schnell genug, um die schnellen elektrischen Veränderungen aufzunehmen, die die neuronale Aktivität begleiten.
Es sieht um Größenordnungen besser aus als alle anderen optischen Bildgebungsmethoden, die ich zuvor gesehen habe, sagt Darcy Peterka , einem Neurowissenschaftler an der Columbia University, der nicht an der Studie beteiligt war.
Die Standardmethode zur Aufzeichnung der elektrischen Aktivität von Neuronen in Zellkulturen – bei der eine Elektrode in die Zelle gesteckt wird – ist nach wie vor die genaueste Methode zur Messung der Spannung an einem einzelnen Punkt in der Zelle. Aber das Durchstechen eines Neurons mit einer Elektrode tötet es schließlich, während Arch Forscher dem elektrischen Signal bei seiner Ausbreitung durch die Zelle folgen ließe. Es würde es den Forschern auch ermöglichen, immer wieder von derselben Zelle aufzunehmen, was Langzeitexperimente ermöglicht, die mit der Standardmethode nicht möglich wären.
Es hängt wirklich davon ab, welche wissenschaftlichen Fragen Sie beantworten möchten, sagt Adam Cohen , ein Biophysik-Forscher an der Harvard University und Hauptautor der neuen Studie.
Die Studie wurde an kultivierten Mausneuronen durchgeführt, aber Cohen und seine Kollegen planen, Arch zu verwenden, um die neuronale Aktivität in lebenden Tieren zu messen, beginnend mit einfachen Organismen wie dem Zebrafisch und dem Wurm C. elegans . Ein Vorteil dieser Tiere besteht darin, dass sie transparent sind, sodass das Fluoreszenzsignal durch ein Mikroskop leicht zu sehen ist.
Arch könnte sich auch als nützlich erweisen, um elektrische Signale im Gehirn von Säugetieren abzubilden, insbesondere für Experimente an Mäusen, die gentechnisch verändert werden könnten, um das Protein beispielsweise in bestimmten Neuronen oder zu bestimmten Zeitpunkten in der Entwicklung zu exprimieren.
Die Herausforderung bei der Übertragung des Ansatzes auf Tiere besteht darin, sicherzustellen, dass das Fluoreszenzsignal stark und konsistent bleibt. Im lebenden Gehirn wird Licht absorbiert – zum Beispiel durch Blut – also verliert man Licht, sagt Ed Boyden , dem Forscher am MIT, der die Studie leitete, in der Arch verwendet wurde, um Neuronen zum Schweigen zu bringen.
Die von Arch abgegebene Fluoreszenz ist auch nicht so hell wie einige der anderen verfügbaren Farbstoffe, aber ihre geringe Toxizität macht dies weniger besorgniserregend, da die Forscher dies durch die Verwendung höherer Konzentrationen kompensieren könnten. Die Tatsache, dass sie es in Mausneuronen zum Laufen gebracht haben, ist ein gutes Zeichen, sagt Peterka.