Волоконно-оптическая запись YC3.60 сигналов в бочковой коре. Схема установки (слева) и функциональных сигналов свободно движущейся мыши (справа). Изображение: Mazahir T. Хасан
(PhysOrg.com) – электрические токи невидимы невооруженным глазом – по крайней мере, когда они протекают по металлическим кабелям. Однако в нервных клетках ученые могут делать электрические сигналы видимыми. Работая с коллегами-экспертами из Швейцарии и Японии, ученые из Института медицинских исследований Макса Планка в Гейдельберге успешно использовали специализированный флуоресцентный белок для визуализации электрической активности нейронов живых мышей. В ходе важного исследования ученые могут применить этот метод для отслеживания активности нервных клеток во время поведения животных. (Frontiers in Neural Circuits, 29 апреля 2010 г.)
Нейроны общаются друг с другом через так называемые потенциалы действия. Во время потенциала действия открываются потенциалозависимые кальциевые каналы, что приводит к быстрому притоку ионов кальция. Благодаря этой тесной связи флуоресцентные индикаторные белки кальция могут визуализировать потенциалы действия. Эти белки имеют две флуоресцентные субъединицы, одна из которых излучает желтый свет, а другая – синий. Когда белки связывают кальций, соотношение желтого и синего света меняется. Таким образом, изменение цвета от синего к желтому указывает на разный уровень кальция – вот почему белок был назван "камелеон".
Оптическое измерение потенциалов действия
С белком камелеона YC3.60, довольно новый вариант, ученым удалось зафиксировать реакцию нервных клеток на сенсорные стимулы в неповрежденном мозгу мышей: каждый раз, когда усы отклонялись струей воздуха, происходило изменение цвета белков камелеона в организме. нервные клетки сенсорных областей коры. Следовательно, можно было сделать вывод, что пораженные клетки отреагировали на стимул с потенциалами действия. "Белок камелеона YC3.60 дает нам возможность измерять потенциалы действия не только в срезах мозга, но и в интактном мозге. Молекула реагирует быстро и чувствительно, а также фиксирует изменения концентрации кальция, происходящие в быстрой последовательности," объясняет Мазахир Хасан из Института медицинских исследований Макса Планка.
Ученые смогли исследовать активность как отдельных клеток, так и целых групп нервных клеток. "YC3.Таким образом, 60 оказался подходящим инструментом для изучения нервной ткани на разных уровнях: с одной стороны, мы можем отслеживать колебания кальция, чтобы вывести потенциалы действия в нервных клетках. И что еще более выгодно, мы можем одновременно измерять активность нейронных сетей или целых областей мозга," говорит Мазахир Хасан. Следовательно, следующий шаг, который хотят сделать ученые, – это выборочно ввести белки камелеона в определенный кортикальный слой или в различные типы нервных клеток. "Тогда мы сможем понять, как разные нервные клетки в мозговых цепях порождают сложное поведение," с надеждой заявляет Мазахир Хасан.
Измерение без электродов
Таким образом, белки камелеона могут произвести революцию в изучении электрической активности мозга. На сегодняшний день единственный способ, которым ученые могли это сделать, – это ввести электроды в нервную ткань или клетки. Этот электродный метод не позволяет идентифицировать клетки и повреждает ткани. В отличие от этого, изменение цвета белка камелеона можно наблюдать при гораздо менее инвазивной процедуре с использованием стеклянных волокон в качестве световодов или с помощью современных флуоресцентных микроскопов, известных как двухфотонные лазерные сканирующие микроскопы. Более того, белки камелеона могут формироваться самими клетками при условии, что соответствующий участок ДНК был вставлен в геном заранее. В экспериментах, проведенных учеными, вирусы служили средством передачи генетической информации о белках камелеона в нервные клетки.
В двух более ранних исследованиях международная группа ученых во главе с Мазахиром Хасаном была первой, кто продемонстрировал, что подобные генетические зонды могут успешно обнаруживать естественные ощущения (такие как запах и прикосновение) в мозгу млекопитающих в форме уникальных паттернов активности (Hasan et al., 2004) и, что более важно, с одноклеточным разрешением с единичным потенциалом действия (Wallace et al., 2008 г.). В текущем исследовании они достигли еще одной важной вехи, продемонстрировав, что cameleon YC3.60 можно использовать для регистрации активности большого количества нервных клеток во время поведения у свободно перемещающихся мышей. Кроме того, он хорошо подходит для регистрации активности одних и тех же нервных клеток у одних и тех же животных в течение длительного периода времени и должен помочь ученым понять, как формируются паттерны сетевой активности, чтобы кодировать различный опыт и поведение животных.
Эти новые достижения, использующие свет для изучения мозга, предоставляют нам уникальную возможность исследовать, как формируются и теряются воспоминания и, кроме того, когда и где изменяются паттерны активности нервных клеток, как в случае старения, а также при неврологических заболеваниях, таких как как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и шизофрения.