211service.com
Spåra informationsflöde i hjärnan
Forskare vid MIT har konstruerat en kalciumsensor i nanostorlek som så småningom kan kasta ljus över den intrikata cell-till-cell-kommunikation som utgör mänskliga tankar. Alan Jasanoff och hans team vid Francis Bitter Magnet Lab och McGovern Institute of Brain Research har funnit att spårning av kalcium, en nyckelbudbärare i hjärnan, kan vara ett mer exakt sätt att mäta neural aktivitet, jämfört med nuvarande avbildningstekniker, såsom traditionell funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI).
När en neuron avfyras frigör den kalcium. Alan Jasanoff vid McGovern Institute vid MIT använde denna observation för att utveckla ett nytt sätt att visualisera hjärnaktivitet med hjälp av fMRI. Superparamagnetiska nanopartiklar (illustrerade här) är täckta med proteiner (röda och gröna) som aggregerar när kalcium frisätts av neuronen. Aggregering av dessa partiklar kan detekteras av MRI-magneten.
FMRI använder kraftfulla magneter för att upptäcka blodflödet i hjärnan, vilket gör att forskare kan se den mänskliga hjärnan i aktion. Genom en snabb serie ögonblicksbilder kan forskare observera nyckelområden i en persons hjärna som lyser upp som svar på en given uppgift eller kommando. Tekniken har använts för att lokalisera hjärnområdena som är involverade i allt från grundläggande motoriska och verbala färdigheter till grumligare kognitiva tillstånd som svartsjuka, bedrägeri och moral.
Tyvärr har fMRI, som det används idag, en stor nackdel: det mäter blodflödet, eller hemodynamik, som är ett indirekt mått på neurala cellaktivitet. Det visar sig att hemodynamik i princip introducerar en fördröjning på fem sekunder, säger Jasanoff. Det hindrar dig från att kunna upptäcka snabb variation [i neural aktivitet].
Eftersom neuroner vanligtvis skjuter i storleksordningen millisekunder, ger nuvarande fMRI-tekniker endast en grov uppskattning av vad hjärnan gör vid varje givet ögonblick. FMRI-skanningar har också en relativt låg rumslig upplösning, mäter aktivitet i områden på 100 mikron, en volym som vanligtvis innehåller 10 000 neuroner, var och en med olika aktiveringsmönster.
Ansträngningar för att finjustera fMRI har fokuserat på att utveckla starkare magneter och en bättre förståelse av blodflödet och dess samband med hjärnaktivitet.
Men Jasanoff tror att det finns ett bättre och mer exakt sätt att spåra neural aktivitet. Han och hans team tittar på kalcium som ett direkt mått på neuronavfyrning. När en neuron skickar en elektrisk impuls till en annan neuron öppnas kalciumspecifika kanaler i neuronens membran omedelbart och låter kalcium flöda in i cellen. Det är en väldigt dramatisk signalförändring, säger Jasanoff.
Fluorescerande kalciumsensorer används redan i ytlig optisk avbildning, men har ännu inte applicerats på de djupare hjärnvävnaderna som är tillgängliga via de kraftfulla magneterna i fMRI-maskiner. För det ändamålet började Jasanoffs labb att designa en kalciumsensor som skulle kunna detekteras via fMRI. För att göra detta kombinerade de sensorn med en superparamagnetisk järnoxidnanopartikel - i huvudsak en magnet i molekylstorlek som kan plockas upp av fMRI som bilder med hög kontrast.
Själva sensorn är sammansatt av två separata nanopartiklar, var och en belagd med ett annat protein: calmodulin och M13. I närvaro av kalcium binder dessa två proteiner samman. I huvudsak ... skapade vi två uppsättningar av kardborrebollar, säger Jasanoff. En har krokar och en har öglor, och de blir bara kardborrekulor i närvaro av kalcium. Proteinerna går isär när kalcium försvinner, en egenskap som kan vara användbar för att tolka flödet av elektrisk aktivitet i en krets av neuroner under en given uppgift - något som inte är möjligt med dagens fMRI.
Jasanoffs forskning är bara ett första steg mot det målet. Hittills har han testat sensorn i provrörslösningar med och utan kalcium, genom att skanna interaktionerna med MRT. De första resultaten, publicerade i en ny utgåva av Proceedings of the National Academies of Sciences, är lovande: skanningar kunde plocka upp bilder med hög kontrast av kardborreliknande bollar som samlades i närvaro av kalcium. Även om bilderna bara var synliga efter många sekunder, eller till och med minuter, säger Jasanoff att sensorn är mycket tweakbar och han planerar att förbättra sin tidsrespons i framtida försök. För nu planerar han att injicera kalciumsensorer i enstaka celler av flugor och så småningom råttor.
Utomstående observatörer gillar Greg Sørensen från Harvard Medical School är försiktigt optimistiska om denna nya generation av hjärnavbildning, särskilt för mänskliga tillämpningar. Sorensen, docent i radiologi, fokuserar på att tillämpa nya avbildningstekniker för behandling av neurologiska sjukdomar.
Intracellulära järnoxidpartiklar har i vissa studier haft en ogynnsam säkerhetsprofil hos människor, säger Sorensen. Om vi fick reda på att den här metoden hade vissa risker men i utbyte kunde identifiera den bästa behandlingen för till exempel schizofreni, så kan risken mycket väl vara värt fördelen.