Eine neue Sicht der Neurowissenschaften: Wie live-Aufnahmen der neuronalen Elektrizität revolutionieren könnte, wie wir sehen, das Gehirn

Rote und Blaue Lichter blinken. Eine Maschine flirrt wie ein entfernter Bienenschwarm. In einer Kabine-sized room, Yoav Adam, einem Mikroskop und einem video-Projektor capture etwas, was niemand jemals zuvor gesehen hat: Neuronen blinken in Echtzeit, in ein wandelndes, lebendes Wesen.

Seit Jahrzehnten haben Wissenschaftler wurden auf der Suche nach einem Weg, um eine live-Sendung des Gehirns. Neuronen senden und empfangen riesige Mengen an Daten-Zeh juckt! Feuer heiß ist! Müll stinkt! — mit beeindruckender Geschwindigkeit. Elektrische Signale können die Reise von Zelle zu Zelle an bis zu 270 Kilometer pro Stunde.

Aber, neuronale Strom ist nur so hart um zu sehen, wie Strom in einem Telefon-Draht: Um den ohne fremde Hilfe Auge beschäftigt das Gehirn sieht so leblos wie Gummi. Also, zu beobachten, wie die Nervenzellen wiederum Informationen (Zeh juckt), in Gedanken („Juckreiz-Pulver“), Verhaltensweisen (kratzen) und Emotionen (Wut), müssen wir ändern die Art, wie wir sehen.

Eine neue Studie, veröffentlicht in der Natur, die genau das tut.

Adam Cohen, Professor der Chemie und Chemischen Biologie und der Physik an der Harvard-Universität, Erstautor Dr. Yoav Adam, und Ihre cross-disciplinary research-team wirft wörtliche Licht auf das Gehirn, die neuronale Umwandlung elektrischer Signale in Funken sichtbar durch ein Mikroskop.

TRICKST DIE NATUR

In den 1980er Jahren, während eine ökologische Erhebung des Toten Meeres, ein Israelischer ökologe fand ein Organismus, führt einen netten trick: Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie in eine primitive form der Fotosynthese. Aber für fast 30 Jahren, den Organismus und seine talentierte protein (Archaerhodopsin 3) schwebte unbehelligt in den Gewässern des Toten Meeres.

Dann, in 2010, Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) abgestaubt protein aus, stellte es ein Gehirn, und bekam das kleine tool zur Durchführung seiner leichten Stich in Neuronen. Wenn Sie trainiert Licht auf das protein-enhanced Gehirn, das tool konvertiert das Licht in Strom um. Die Forscher könnten dann ändern die das feuern der Neuronen und, wenn Sie haben gut gewählt, auch manipulieren das Tier-Verhalten.

Cohen war fasziniert. Er fragte sich: Könnten wir das umgekehrte der trick? Könnte das protein umwandeln der elektrischen Aktivität von Neuronen in nachweisbar Lichtblitze? Nach ein paar Jahren harter Arbeit, er entdeckte seine Antwort: ja. Es kann.

HON-WERKZEUGE

Wenn Sie leuchtet mit rotem Licht, Archaerhodopsin kann wiederum Spannung ins Licht (dieses und ähnliche tools sind bekannt als genetisch kodierte Spannung Indikatoren oder GEVIs). Das protein wirkt wie ein ultra-empfindlichen voltmeter, das, wie die Haare auf deinem arm, änderungen mit einem elektrischen Schock.

Die Cohen-lab-Paare dieses protein mit einer ähnlichen einer, der, wenn mit blauem Licht beleuchtet, Funken elektrische Impulse in den Nervenzellen. „Auf diese Weise“, sagt Yoav, „können wir beide Steuern die Aktivität der Zellen und Rekord-Aktivität der Zellen.“ Blaues Licht steuert; red light records.

Die gekoppelten Proteine funktionierte gut in Nervenzellen außerhalb des Gehirns, in eine Schüssel geben. „Aber,“ Cohen sagt, „der Heilige Gral war, um diese Arbeit in der live-Mäuse sind tatsächlich etwas zu tun.“

Der schwer fassbaren „Heiligen Gral“ kam nach fünf Jahren der intensiven, interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen 24 Neurowissenschaftlern, Molekularbiologen, Biochemiker, Physiker, Informatiker und Statistiker. Erste, Sie optimiert die protein-arbeiten mit lebenden Tieren; dann, mit einigen Adepten genetische manipulation, Sie positioniert das protein in der richtigen Teil der richtigen Zellen in das Gehirn der Maus. Schließlich errichteten Sie ein neues Mikroskop, angepasst mit einem video-Projektor zu Leuchten, ein Muster von roten und blauem Licht in der lebenden Maus Gehirn, und auf bestimmte Zellen von Interesse.

„Sie im Grunde machen einen kleinen Film,“ Cohen sagt.

Mit rotem und blauem Licht nach dem Vorbild des Gehirns, Yoav Steuern können, Wann und welche Neuronen feuern und fangen Ihre elektrische Aktivität als Licht. Zum identifizieren der einzelnen neuronalen Signale in das helle chaos, das team entwarf eine Letzte neue tool: Eine software, extrahieren konnten spezifische neuronale Funken, wie einzelne Glühwürmchen aus einem Schwarm.

KLARHEIT AUS DEM CHAOS

Aber neuronale Signale Reisen weit schneller als Glühwürmchen. In einem Drittel der Zeit dauert es für Sie zu blinken, die Cohen-team aufnehmen können genaue, intime details eines Neurons spike-Muster-wie die Verlagerung der Flügel-Positionen ein Glühwürmchen im Flug. Sie können bis zu zehn Neuronen zu einer Zeit, eine Leistung, die sonst unmöglich mit den vorhandenen Technologien, und, drei Wochen später finden die gleichen Neuronen aufnehmen von neuem.

Yoav ist nicht der erste Datensatz neuronale Signale: Haar-dünne Glasröhren, eingefügt in Gehirn-Gewebe, die können den job zu erledigen. Aber, solche Geräte zeichnen nur ein oder zwei Neuronen in einer Zeit, und, wie ein Splitter müssen entfernt werden, bevor Sie Schaden anrichten. Andere tools überwachen Kalzium, das Hochwasser Neuronen, wenn Sie Feuer. Aber, laut Cohen, „je nachdem, wie genau Sie es tun, es ist 200-bis 500-mal langsamer als die Spannung, signal, Yoav ist auf der Suche.“

Nun, Yoav erweitern können, seine vision weiter und schauen, wie Verhaltens-änderungen, die Auswirkungen, die neuronalen Geschwätz. Für seinen ersten Versuch startete er einfach: Eine Maus lief auf einem Laufband für 15 Sekunden und dann ruhte, 15. Während der beiden Phasen, Yoav projiziert blaues und rotes Licht auf die hippocampus-region des Gehirns, dem Zentrum für lernen und Gedächtnis.

„Auch nur mit einfachen änderungen im Verhalten, gehen und ruhen,“ Yoav sagt, „wir sehen konnten, robuste änderungen in den elektrischen Signalen, die auch variiert zwischen den verschiedenen Typen von Neuronen im hippocampus.“

„Manche gehen schneller, einige langsamer gehen,“ Cohen hinzu.

Yoav auch beobachtet verschiedene Arten von Aktivität, Muster: Einige Neuronen zeigten komplexe spikes, wie die hügelige Appalachian mountain range, während einige Schuss aus großen, scharfen Spitzen, wie der Mount Everest. Solche Spitzen können erkannt werden, indem Sonden außerhalb des zellulären Membranen. Aber, Yoav sehen können, die kleinere Spannungssignale, die letztlich bestimmen, ob ein neuron spikes. Diese sub-threshold details habe selten gesehen oder Studium im Leben der Tiere: Die richtigen tools einfach nicht existieren.

Nächsten, Yoav und ein team wird noch komplexer, die Maus, das Laufband Umgebung: raue Klett Kreise, whisker Bewegungen, und eine Zucker-station. Yoav, insbesondere will Sie mehr erfahren über das räumliche Gedächtnis — zum Beispiel, kann die Maus daran erinnern, wo zu finden die Zucker-station? „Niemand weiß, was für ein Speicher wirklich aussieht,“ Cohen sagt. Bald könnten wir.

In der Zwischenzeit wird das interdisziplinäre team weiter zu Sortieren durch Ihre komplizierte Daten, und verbessern Sie Ihre optischen, molekularen und software-tools. Bessere Werkzeuge erfassen könnten mehr Zellen, tieferen Hirnregionen, und sauberere Signale. „Gehirn einer Maus hat 75 Millionen Zellen in es,“ Cohen, sagt, „also, je nach Perspektive, wir haben viel getan, oder haben wir noch einen ziemlich langen Weg zu gehen.“

Aber Yoav, drängte Sie sich durch fünf Jahre in der Entwicklung Herausforderungen, der Sie zu Ihrem „Heiligen Gral“ halten vorwärts drängen. Ihm, das Endergebnis sah immer möglich: „ich konnte das Licht sehen.“