Folosind lumina laser, țesutul balonat și trucuri genetice inovatoare, oamenii de știință încep să forțeze creierul să renunțe la secretele lor.
Prin amestecarea și potrivirea progreselor puternice în microscopie și biologia celulară, cercetătorii au imaginat detalii complicate ale celulelor nervoase individuale la muștele de fructe și la șoareci și chiar au controlat grupuri mici de celule nervoase la șoarecii vii.
Tehnicile, publicate în două noi studii, reprezintă pași mari înainte pentru înțelegerea modului în care funcționează creierul, spune neurologul molecular Hongkui Zeng de la Institutul Allen pentru Știința Creierului din Seattle.
„Fără acest tip de tehnologie, am putut să ne uităm doar la nivelul supei”, în care diferite celule nervoase, sau neuroni, sunt grupate și analizate împreună, spune ea. Dar noile studii arată că celulele nervoase pot fi studiate individual. Această abordare mărită va începe să descopere diversitatea extraordinară despre care se știe că există printre celule, spune Zeng, care nu a fost implicat în cercetare.
„Acolo merge câmpul. Este foarte interesant să vedem că acum tehnologiile ne permit să facem asta”, spune ea.
Aceste abilități noi au venit din mai multe instrumente. La Campusul de Cercetare Janelia al Institutului Medical Howard Hughes din Ashburn, Virginia, fizicianul Eric Betzig și colegii săi au dezvoltat un microscop puternic care poate observa rapid în adâncime straturile de țesut cerebral. Numit microscop cu foaie de lumină cu zăbrele, instalația mătură o foaie subțire de lumină laser prin creier, dezvăluind structurile celulelor. Dar, ca orice microscop, lovește un perete atunci când structurile devin foarte mici, incapabile să rezolve cele mai mici aspecte ale scenei.
Un truc care extinde țesutul ca un balon la microscop a rezolvat această problemă. Metoda, numită microscopie de expansiune, face mostrele minuscule mai ușor de văzut prin perfuzarea lor cu un gel care se umflă, spune neurologul Edward Boyden, un investigator HHMI la MIT al cărui laborator a dezvoltat tehnica. Gelul păstrează structura țesutului în timp ce o extinde.
Întoarcerea puternicului microscop cu foaie luminoasă cu zăbrele asupra creierului extins de mușcă a fructelor și a secțiunilor de creier de șoareci a dezvăluit caracteristicile celulelor nervoase individuale, raportează cercetătorii în 18 ianuarie. Ştiinţă. Echipa a numărat conexiunile celulare numite sinapse, a văzut cum o substanță grasă numită mielină s-a înfășurat în jurul extensiilor de transmitere a mesajelor celulelor nervoase și a identificat toate celulele nervoase care produc mesagerul chimic dopamină.
Aceste vederi meticuloase vor permite mai multe experimente, spune Betzig, acum un investigator HHMI la Universitatea din California, Berkeley, cum ar fi studierea dacă sinapsele arată diferit în anumite boli sau cum se formează mielina în timpul dezvoltării. „Dacă doriți să vă scufundați adânc în oricare dintre aceste zone, o puteți face acum”, spune el.
Alături de aceste noi detalii despre anatomia celulelor nervoase vin indicii despre unele dintre locurile de muncă ale acestor celule. Karl Deisseroth, psihiatru și neuroștiință la Universitatea Stanford, și colegii săi au dezvoltat o formă avansată de optogenetică, o tehnică care folosește lumina laser pentru a controla celulele nervoase modificate genetic. Cu progrese în microscopie și îmbunătățiri ale unei proteine care răspunde la stimularea cu laser, cercetătorii au reușit să monitorizeze comportamentul celulelor nervoase individuale și să le activeze după bunul plac, schimbând comportamentul alimentar al șoarecilor. Rezultatele, descrise online pe 16 ianuarie în Naturăajută la descurcarea celulelor implicate în comportamentul alimentar și experiențele sociale.
În cadrul studiului, cercetătorii au vizat celulele nervoase din cortexul orbitofrontal al șoarecilor, o întindere de țesut de pe suprafața frontală exterioară a creierului. Deoarece celulele implicate în comportamentul alimentar și în comportamentul social sunt amestecate acolo, nu sunt ușor de studiat separat.
Așadar, echipa lui Deisseroth a folosit trucuri genetice pentru a identifica celulele nervoase unice care sunt active pe măsură ce un șoarece are un anumit comportament – în acest caz, lingând apă bogată în calorii sau interacționând cu un alt șoarece. După ce au identificat anumite celule, cercetătorii au folosit apoi lumină laser pentru a pune celulele în acțiune și au urmărit comportamentul rezultat. Când oamenii de știință au stimulat o mână de celule nervoase „care mănâncă”, șoarecii au lins mai mult din apa cu densă calorică. Dar atunci când echipa a stimulat celulele nervoase sociale, linsul a scăzut, rezultate care sugerează că interacțiunile sociale pot reduce comportamentul alimentar.
Deisseroth și colegii săi au descris pentru prima dată metoda de stimulare a celulelor nervoase unice în 2012, dar până acum nu au putut să o folosească pentru a controla comportamentul la un mamifer. Progresele în microscopie, inclusiv o lentilă specială care se află deasupra creierului și concentrează lumina într-un mod special, le-au permis cercetătorilor să stimuleze celulele nervoase adâncime de aproximativ trei milimetri în creierul unui șoarece viu – cea mai profundă stimulare a celulei până în prezent, cercetătorii. raport.
„Majoritatea creierului șoarecelui este adânc și greu de sondat”, spune Deisseroth. Noua metodă „deschide ușa către investigarea versatilă a întregului creier al mamiferelor”, spune el.