Tittar in i hjärnan

Mitt i ett becksvart rum ligger en mycket speciell mus orörlig på en mikroskopscen. Månader innan hade musen två små hål utskurna ur skallen, som avslöjade dura - hjärnans yttre membran - och blodkärlen nedanför. Hålen har permanent täckts med klart glas så att forskare kan titta direkt in i musens hjärna, där några av dess neuroner lyser grönt under laserljuset i ett mikroskop.

För bilder av detta hjärntittande laboratorium, Klicka här .

Den här historien var en del av vårt septembernummer 2006

• Se resten av frågan
• Prenumerera

När den sövda musen sover, tar Wei-Chung Lee, postdoc vid MIT:s Picower Center for Learning and Memory, en serie bilder av en enskild neuron. Han kommer att kombinera dessa foton till en 3D-bild av neuronen och jämföra den med en bild av samma cell som skapades för en vecka sedan, för att avgöra hur den har förändrats över tiden.

Tekniken har gett MIT-forskare en aldrig tidigare skådad titt på den överraskande tillväxten av neuroner under en vuxen muss vardag. Du ser hela skalan av typer av tillväxt du ser under utvecklingen, såsom tillväxtsprutor, förlängningar, tillbakadragningar eller nya tillägg, säger Elly Nedivi, docent i neurobiologi vid MIT som leder forskningen. Detta är vad hjärnan gör på en daglig basis. Nedivi hjälpte till att utveckla det nya avbildningsförfarandet i samarbete med Peter So, en avbildningsexpert på MIT:s bioteknikavdelning, i hopp om att bättre utforska förändringar i komplexa nät av grenliknande projektioner som vidarebefordrar meddelanden mellan neuroner. Det hon har hittat hjälper till att förändra den vetenskapliga bilden av hjärnan.

En gång i tiden trodde forskare att den vuxna hjärnan mestadels var statisk till sin struktur - att efter de nervösa tillväxtspurtarna under spädbarns- och tonåren, anlades kopplingar mellan neuroner permanent, som ett nätverk av asfalterade vägar. Men en växande mängd bevis tyder på att den vuxna hjärnan har en överraskande förmåga att omorganisera. Nedivi och hennes team har gett nytt stöd för denna idé, och tillhandahåller det första beviset hos levande djur att neuronernas informationsutbyteprojektioner kan växa och dras tillbaka i vuxen ålder, på sätt som är kvalitativt liknar vad de gör tidigt i livet.

Neurovetenskapsmän visste att vissa neurala förändringar måste ske i den vuxna hjärnan, eftersom vi fortsätter att lära oss hela livet. Men folk visste inte om den plasticiteten åtföljdes av strukturella förändringar, säger David Kleinfeld, en neuroforskare vid University of California, San Diego. Nedivi och hennes medarbetare, säger han, har visat att nervceller av åtminstone en viss typ fortsätter att växa och utvecklas i den vuxna musen.

Nyckeln till Nedivis upptäckt var förmågan att titta på samma neuron i ett levande djur vecka efter vecka. Mest tidigare forskning om neuroplasticitet – hjärnans förmåga att bilda nya neurala förbindelser – undersökte hjärnskivor, delar av hjärnan som hålls vid liv under en kort tid. Även om sådana in vitro-studier tillåter forskare att testa hur neurala förbindelser påverkas av specifika faktorer, såsom stötar av elektricitet eller olika typer av droger, kan de inte visa vad som händer med neuroner i den levande hjärnan när ett djur blir gammalt eller utvecklas. en sjukdom, eller föds upp isolerat.

Att titta på samma cell under en period av veckor kan avslöja den långsamma tillväxten av nervceller i hjärnan. Nedivi hoppas kunna använda processen för att avgöra vad som går snett i hjärnan på möss konstruerade för att modellera Alzheimers och schizofreni. Sådana studier kommer att erbjuda både ny information om mänskliga sjukdomar och ett sätt att testa nya terapier.

Forskarna hoppas också kunna fastställa de bästa sätten att uppmuntra hjärnceller att växa. Om neuroner kunde lockas till att växa fram nya projektioner i specifika delar av hjärnan eller ryggmärgen, skulle de kanske kunna kompensera för skador som orsakats av ryggmärgsskada eller stroke.

Ett blommande träd

För att se neuroner i den levande hjärnan, satte Nedivi och hennes medarbetare fönster i skallarna på möss som är genetiskt modifierade för att producera ett fluorescerande färgämne i några slumpmässigt utvalda hjärnceller. Genom fönstren tar de bilder på de fluorescerande neuronerna med hjälp av ett tvåfotonmikroskop, ett instrument som skapar mycket högupplösta bilder.

En ultrasnabb titan-safirlaser skickar ljuspaket genom en komplex serie linser och speglar, som riktar ljuset mot enskilda celler i hjärnan på den sövda musen. Det fluorescerande färgämnet i de utvalda neuronerna lyser endast om två fotoner träffar en färgämnesmolekyl på exakt samma gång, vilket möjliggör mer exakt avbildning av cellerna. (Detta är anledningen till att rummet måste vara kolsvart: allt främmande ljus skulle plockas upp av mikroskopets fotondetektor, vilket gör den resulterande bilden grumlig. Forskare bär strålkastare ifall de behöver justera utrustningen.)

Neuroner består av en central cellkropp och en serie förgrenade projektioner som sträcker sig in i olika delar av hjärnan för att skicka och ta emot elektriska signaler. För att fånga hela strukturen av en given neuron, skannar lasern den i horisontella tvärsnitt och störtar djupare in i hjärnan med varje svep. Forskare går igenom bilderna – som liknar Jackson Pollock-målningar – och väljer ut de former som motsvarar projektionerna. Ett datorprogram syr sedan ihop bilderna för att skapa en 3D-modell.

För att registrera hur neuronerna förändras över tiden tar MIT-forskarna bilder av samma neuron varje vecka i flera veckor, med hjälp av närliggande blodkärl för att hitta den. I en tidning som publicerades tidigare i år i Public Library of Science Biology , visade teamet att dendriter – de projektioner som neuroner använder för att ta emot information från andra hjärnceller – kunde växa och vrida sig och böjas och skicka ut nya skott som ett blommande träd. Det är väldigt kraftfullt – du kan faktiskt se förändringarna, säger Lee. Och eftersom bilderna är insamlade från ett levande djur, säger han, fångar de hjärnans beteende mycket mer exakt än bilder av en hjärnskiva, där många av de neurala anslutningarna är brutna.

Denna typ av tillväxt hade aldrig tidigare setts i studier av levande djur. Tidigare studier med tvåfotonavbildning fann små strukturella förändringar i dendritiska ryggraden, små knölar på ytorna av dendriter. Men dessa studier rekonstruerade bara små delar av varje neuron. Genom att modellera hela celler kunde Nedivi och kollegor se förändringar i större skala som tidigare kan ha gått obemärkt förbi. Det som är mest spännande med deras arbete är att det visar en oväntad mängd dynamik i neuroner, säger Josh Sanes, en neuroforskare vid Harvard University vars labb konstruerade mössen som användes i studien.

Dessutom fann Nedivis team att endast en viss typ av neuron genomgår dessa förändringar. Tidigare studier fokuserade på excitatoriska neuroner, som skickar elektriska signaler som får andra neuroner att brinna. Hämmande neuroner, å andra sidan, frigör kemikalier som stoppar andra neuroner från att skjuta. Det är dessa neuroner som kan förlänga och dra tillbaka nya projektioner. Hämmande neuroner är mindre vanliga i hjärnan än deras excitatoriska kusiner och är mindre väl studerade.

Tillväxtfaktorer

Nedivis första experiment fokuserade på möss som levde ett standardlabbliv, men nu när hon och hennes team har definierat den normala mängden neural plasticitet hos vuxna kan de undersöka hur olika miljömässiga eller genetiska faktorer påverkar hjärnans tillväxt. Tidigare forskning har till exempel visat att ge unga gnagare leksaker eller föda upp dem i ett varierat landskap sporrar födelsen av nya hjärnceller. Tvåfotonavbildning kommer att göra det möjligt för forskare att utforska hur att leva i en komplex miljö påverkar hjärnans neurala organisation. Lee har nyligen börjat studera hur visuell deprivation påverkar neural plasticitet i synbarken. Dessa projekt kommer att hjälpa forskare att ta reda på om olika miljöer får djurens neuroner att växa snabbare eller omorganiseras oftare, och om dessa förändringar så småningom leder till skillnader i beteende.

Under tiden, säger Nedivi, har hon översvämmats av förfrågningar från forskare som studerar sjukdomar som Alzheimers och schizofreni. När vi väl karaktäriserar problemet med varje sjukdom – kanske färre projektioner växer eller bara en viss typ av neuron påverkas – då kan vi skräddarsy behandlingar för det problemet, säger hon. Vi skulle också kunna använda denna teknik som en plattform för att screena för terapier.

Naturligtvis kommer varje experiment att kräva månader vid mikroskopet. Det tar timmar att avbilda varje neuron och dagar att konstruera en tredimensionell modell från de tvådimensionella bilderna. Dessutom kommer forskare att behöva noggrant jämföra neuroner från många djur för att få en känsla av skillnaderna mellan beteendet hos sjuka celler och hos friska. Tyvärr är tid något Nedivi för närvarande inte har; labbet använder ett skräddarsytt mikroskop i Sos labb. En gång i veckan paketerar hennes elever sina möss och tar dem till labbet och avbildar så många neuroner som tiden tillåter. Snart hoppas Nedivi få de 500 000 dollar som krävs för att sätta upp ett instrument i sitt eget labb, vilket skulle ge hennes forskare obegränsad tid att se hjärnan i funktion.

Dölj