Мигающие нейроны показывают путь мысли

Белок хамелеон в изучении мозга

Белок хамелеон в изучении мозга

Ученые в исследовании активности нервных клеток целых участков мозга предлагают применять белок, называемый «хамелеон». Главное — это не нужно разрушать мозговую ткань и получать картину работы мозга для живого животного.

Электрический ток невидим для невооруженных глаз — по крайней мере так происходит при его прохождении по металлическим проводам. Однако, ученые могут сделать электрические сигналы видимыми. Работая с экспертами из Швейцарии и Японии, ученые из Института Макса Планка Медицинских исследований успешно использовали специальный флуоресцентный белок для визуализации электрической активности нейронов у мышей.

В беспрецедентном исследовании ученые смогли применить этот метод, чтобы наблюдать активность нервных клеток в поведенческой деятельности животных.

Нейроны общаются друг с другом через так называемые потенциалы действия. Во время потенциала действия кальциевые каналы управляемые потенциалами открываются в результате быстрого притока ионов кальция. Из-за этого  свойства белковый индикатор флуоресцентного кальция может визуализировать потенциалы действия.

Эти белки имеют два флуоресцентных компонента, один из них излучает желтый цвет, а другой — синий. По мере того, как белки связывают кальций желтый цвет изменяется до синего. Цветовая вариация от синего цвета в сторону желтого соответствует различным уровням кальция — именно поэтому белок, получил название «хамелеон».

Измерение потенциала действия оптически

При помощи белка «хамелеон» ученым удалось записать реакцию нервных клеток на сенсорные раздражители в неповрежденном мозгу мыши: каждый раз до выхода усы отклоняются это было отмечено изменением «хамелеона» в нервных клетках в областях коры головного мозга отвечающего за сенсорную чувствительность. Отсюда можно сделать вывод, что задействованные клетки реагировали на раздражитель через потенциалы действия.

«Белок <хамелеон> дал нам возможность измерить потенциал действия не только в срезах мозга, но и в неповрежденном мозгу. Молекула реагирует быстро и отчетливо, а также отражает изменения в концентрациях кальция происходящих при передаче сигнала,» — объясняет Мазар Хасан из института Макса Планка.

Ученые смогли исследовать активность не  только в одиночных клетках, но и целых группах клеток. Белок «хамелеон» оказался подходящим инструментом для изучения нервной ткани на различных уровнях: с одной стороны, ученые могут наблюдать колебания уровня кальция, чтобы говорит о повышении потенциала действия в нервных клетках. И, что более существенно, могут одновременно измерить активность сети нейронов и даже целых областей мозга.

Следовательно, следующим шагом ученые хотят селективно отслеживать поведение белка «хамелеон» в конкретных слоях коры головного мозга или в рализных типах нервных клеток. «Тогда мы сможем понять, каким образом различные нервные клетки генерируют в мозге сложные схемы поведения,» — утверждает ученый.

Измерения без электродов

Белки «хамелеоны» дают революционный подход к исследованию электрической активности головного мозга. На сегодняшний день, единственный способ, которым ученые могли  это сделать, это включением электродов в нервную ткань и клетки. Этот электродная технология нарушала ткань живого организма. В отличие от этого, наблюдения за изменениями белка «хамелеон» гораздо менее инвазивные процедуры с использованием стекловолокна для передачи света или с помощью современных флуоресцентных микроскопов — известных как лазерные микроскопы двухфотонного сканирования.

Кроме того, белки «хамелеон» могут быть сформированы самими клетками при условии включения соответствующего участка в ДНК генома заранее. В экспериментах проведенных учеными, вирусы служили в качестве внедрения генетической информации белков «хамелеон» в нервные клетки.

В двух предыдущих исследованиях международная группа во главе с Мазар Хасаном была первой, кто продемонстрировал, что подобные генетические зонды могут успешно выявлять непосредственные ощущения (такие как запах и тактильные прикосновения) в головном мозге млекопитающих.

В данном исследовании они достигли еще более интересных результатов, поскольку показали, что белок «хамелеон» может быть использован для записи активности большого числа нервных клеток в процессе поведения свободно перемещающихся мышей.

Кроме того, он хорошо подходит для записи активности нервных клеток у животных в течение длительного периода времени и должен помочь ученым понять, как сетевая активность участков мозга кодируется для разного поведения животных.

Эти новые достижения, используя свет для изучения мозга, дают нам уникальную возможность выяснить, как формируются воспоминания и как они теряются и, кроме того, когда и где нервные клетки изменяют свою активность, как в случае старения и неврологических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, Паркинсона и шизофрения.

COMMENTS