Yeni Yöntem, Korteksin Derinlerindeki Bireysel Hücrelerde Hızlı Beyin Aktivitesinin Uzun Süreli Görüntülenmesini Sağlıyor

Özet: Araştırmacılar, bilim adamlarının beyni, mevcut teknolojinin izin verdiğinden daha uzun bir süre ve beyinde daha derin bir süre boyunca eksik sinyaller olmadan görüntülemesine olanak tanıyan yeni bir sensör geliştirdi.

Kaynak: Baylor Tıp Fakültesi

Siz bu kelimeleri okurken, beyninizin belirli bölgeleri milisaniye hızında elektriksel aktivite telaşı sergiliyor. Bu elektriksel aktiviteyi görselleştirmek ve ölçmek, beynin bu kelimeleri görmemizi, hareket etmemizi, davranmamızı veya okumamızı nasıl sağladığını anlamak için çok önemlidir.

Bununla birlikte, teknolojik sınırlamalar, sinirbilimcilerin beynin nasıl çalıştığına dair anlayışı geliştirme hedeflerine ulaşmasını geciktiriyor.

Baylor Tıp Fakültesi’ndeki bilim adamları ve işbirliği yapan kurumlar dergide rapor veriyor Hücre Nörobilimcilerin beyin aktivitesini, daha önce mümkün olandan daha uzun bir süre ve daha derinde, sinyalleri kaçırmadan görüntülemesine izin veren yeni bir sensör.

Bu çalışma, hem sağlıklı hem de nörolojik rahatsızlıkları olan uyanık, aktif hayvanlarda beynin nasıl çalıştığına dair yeni keşiflerin yolunu açıyor.

Nörobilimin kutsal kâsesi

İlgili yazar, sinirbilim yardımcı doçenti ve Baylor’da bir McNair uzmanı olan Dr. François St-Pierre, “Beynin elektriksel aktivitesi çok hızlı olmakla kalmıyor, aynı zamanda beyin hesaplamalarında farklı rollere sahip çeşitli hücre tiplerini de içeriyor” dedi. Ayrıca Rice Üniversitesi’nde elektrik ve bilgisayar bilimleri alanında yardımcı doçenttir.

“Bir aktivite yürüten hayvanlarda belirli hücre tiplerinin bireysel nöronlarında milisaniyelik hızlı elektriksel aktivitenin invaziv olmayan bir şekilde nasıl gözlemleneceğini bulmak zor oldu. Bunu yapabilmek, beyin görüntülemenin kutsal kâsesi olmuştur.”

Beyindeki elektriksel aktiviteyi ölçmek için mevcut teknolojiler var. St-Pierre, “Örneğin, elektrotlar çok hızlı aktivite kaydedebilir, ancak ne tür hücreler dinlediklerini söyleyemezler” dedi.

Araştırmacılar ayrıca elektriksel aktivite ile ilişkili kalsiyum değişikliklerine yanıt veren floresan proteinler kullanıyorlar. Floresandaki bu değişiklikler 2 fotonlu bir mikroskop kullanılarak izlenebilir.

“Bu tür bir sensör, hangi nöronların aktif olduğunu ve hangilerinin olmadığını belirlemek için mükemmel. Ancak, çok yavaşlar. Voltaj değişikliklerini dolaylı olarak ölçerler, bu nedenle birçok önemli sinyali kaçırırlar.”

St-Pierre ve meslektaşlarının amacı, hızlı beyin sinyallerini yakalarken belirli hücre tiplerindeki aktiviteyi izleyebilen bir sensör geliştirmek için bu metodolojilerin en iyilerini bir araya getirmekti. St-Pierre, “Bunu, genetik olarak kodlanmış voltaj göstergeleri veya GEVİ’ler olarak adlandırılan yeni nesil tasarlanmış floresan proteinlerle başardık.” Dedi.

İlk yazarlar – Zhuohe (Harry) Liu, Xiaoyu (Helen) Lu ve Yueyang (Eric) Gou – iki foton mikroskopisi için floresan voltaj göstergelerini tasarlamak ve optimize etmek için daha iyi ve daha verimli bir yol sağlayan otomatik bir sistem oluşturdu ve kullandı, sinirbilimde invaziv olmayan derin doku görüntüleme için standart yöntem.

Rice’da Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği alanında yüksek lisans öğrencisi olan Liu, “Bu sistemi kullanarak binlerce gösterge varyantını test ettik ve öncekilerden daha hızlı, daha parlak ve daha hassas ve fotostabil olan JEDI-2P’yi belirledik” dedi. St-Pierre laboratuvarı.

St-Pierre laboratuvarında çalışan Rice’daki Sistemler, Sentetik ve Fiziksel Biyoloji (SSPB) programından yüksek lisans öğrencisi Lu, “JEDI-2P ile önceki yöntemlerin üç önemli dezavantajını çözdük” dedi.

“Birincisi, yaşayan bir hayvandaki elektriksel aktiviteyi en fazla birkaç dakika yerine 40 dakikaya kadar takip etmemizi sağlıyor. İkincisi, yaklaşık bir milisaniyelik bir zamansal çözünürlükle elektriksel aktivite artışlarını görüntüleyebiliriz ve üçüncüsü, göstergemiz parlak olduğu ve beyin aktivitesine yanıt olarak büyük sinyaller ürettiği için beynin daha derindeki hücrelerini tek tek görüntüleyebiliriz.”

St-Pierre, şimdiye kadar araştırmacıların beynin yüzeyini gözlemlemekle sınırlıydı, “ancak beyin aktivitesinin çoğu açıkça beyin yüzeyinin altındaki ilk 50 mikronla sınırlı değil” dedi. St-Pierre laboratuvarının eski bir üyesi olan ve şu anda Baylor’daki Nörobilim Yüksek Lisans Programında bulunan Gou, “Metodolojimiz araştırmacıların ilk kez korteksin derin katmanlarındaki voltaj sinyallerini invazif olmayan bir şekilde izlemelerine olanak tanıyor” dedi.

Baylor ortak yazarları, sinirbilim profesörü Dr. Andreas Tolias ve sinirbilim yardımcı doçenti Dr. Jacob Reimer, JEDI-2P’nin birçok beyin görüntüleme laboratuvarında bulunan görüntüleme ekipmanlarını kullanarak farelerde elektriksel aktiviteyi rapor edebildiğini gösterdi.

Ortak yazar Stéphane Dieudonné (École Normale Supérieure, Fransa), ULoVE adı verilen hızlı bir mikroskopi yöntemiyle JEDI-2P floresansını izleyerek farelerde beyin elektrik sinyallerinin derin ve ultra hızlı tespitini gösterdi.

Ortak yazarların laboratuvarları Dr. Katrin Franke (Grup lideri, Tübingen Üniversitesi, Almanya) ve Tom Clandinin (Stanford Üniversitesi), JEDI-2P’nin sırasıyla retina ve sineklerdeki görüntü elektriksel aktiviteye nasıl uygulanabileceğini gösterdi.

Birlikte ele alındığında, bu uluslararası işbirliği çabası, yeni teknolojinin farklı hayvan modelleri üzerinde çalışan ve çeşitli mikroskopi teknikleri kullanan sinirbilim grupları tarafından kolaylıkla uygulanabileceğini gösterdi.

“2014 yılında, Society of Neuroscience toplantısında bu göstergenin ilk versiyonu hakkında bir sunum yaptım ve insanlar gözlerini devirdi. St-Pierre, “Milisaniyelik zaman ölçeğindeki aktiviteyi görüntülemenin muazzam teknik zorluğu nedeniyle, uyanık hayvanlarda floresan göstergelerle hızlı voltaj görüntülemenin asla mümkün olmayacağını düşündüler” dedi. “Sekiz yıl sonra bu hedefe ulaştık. Ve göstergeyi geliştirmek için hala yer var – bu son JEDI olmayacak!”

Bu nöroteknoloji araştırma haberleri hakkında

Yazar: Basın ofisi
Kaynak: Baylor Tıp Fakültesi
İletişim: Basın Ofisi – Baylor Tıp Fakültesi
Resim: Resim kamu malı

Orjinal araştırma: Açık Erişim.
Zhuohe Liu ve diğerleri tarafından “İki foton mikroskobu için geliştirilen hızlı bir gösterge kullanılarak sürekli derin doku voltajı kaydı”. Hücre

---

Soyut

İki fotonlu mikroskopi için geliştirilmiş hızlı bir gösterge kullanılarak sürekli derin doku voltajı kaydı

Öne Çıkanlar

• JEDI-2P daha hızlı, daha parlak, daha hassas ve fotostabil bir voltaj göstergesidir
• JEDI-2P, iki fotonlu çok parametreli bir tarama platformu kullanılarak tasarlandı
• JEDI-2P, retina eksplantlarında, sineklerde ve farelerde iki fotonlu voltaj kayıtlarını etkinleştirdi
• JEDI-2P, farelerde derin (kortikal katman 5) ve uzun (>40 dakika) kayıtlar üretti

Özet

Genetik olarak kodlanmış voltaj göstergeleri, hücre tipi özgüllük ile voltaj dinamiklerini izlemek için ortaya çıkan araçlardır. Bununla birlikte, mevcut göstergeler, derin doku kaydı için bir seçim yöntemi olan iki foton mikroskobu altında düşük performans nedeniyle dar bir uygulama yelpazesine olanak tanır.

Göstergeleri iyileştirmek amacıyla, iki foton mikroskobu için voltaj göstergelerini optimize etmek üzere çok parametreli yüksek verimli bir platform geliştirdik. Bu sistemi kullanarak, öncekilerden daha hızlı, daha parlak, daha hassas ve fotostabil bir gösterge olan JEDI-2P’yi belirledik.

JEDI-2P’nin aksonal terminallerde hafif uyarılmış yanıtları rapor edebildiğini gösterdik. Meyve sineği izole fare retinasının amacrine hücrelerinin internöronları ve dendritleri ve somataları. JEDI-2P ayrıca, hem rezonans tarama hem de ULoVE rastgele erişimli mikroskopi kullanarak 30 dakikadan fazla uyanık davranan farelerde bireysel kortikal nöronların voltaj dinamiklerini optik olarak kaydedebilir.

Son olarak, JEDI-2P’nin ULoVE kaydı, 400 μm’yi aşan derinliklerde ani yükselmeleri sağlam bir şekilde tespit edebilir ve nöron çiftlerinde voltaj korelasyonlarını rapor edebilir.