In de hersenen kijken

Midden in een pikdonkere kamer ligt een heel bijzondere muis roerloos op een microscooptafel. Maanden eerder had de muis twee kleine gaatjes uit zijn schedel gesneden, waardoor de dura - het buitenste membraan van de hersenen - en de bloedvaten eronder zichtbaar werden. De gaten zijn permanent bedekt met helder glas, zodat wetenschappers rechtstreeks in de hersenen van de muis kunnen kijken, waar sommige van zijn neuronen groen gloeien onder het laserlicht van een microscoop.

Voor afbeeldingen van dit hersenobservatielab, Klik hier .

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van september 2006

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Terwijl de verdoofde muis slaapt, maakt Wei-Chung Lee, een postdoc bij MIT's Picower Center for Learning and Memory, een reeks foto's van een enkel neuron. Hij zal deze foto's combineren tot een 3D-afbeelding van het neuron en deze vergelijken met een afbeelding van dezelfde cel die een week geleden is gemaakt, om te bepalen hoe deze in de loop van de tijd is veranderd.

De techniek heeft MIT-wetenschappers een ongekende kijk gegeven op de verrassende groei van neuronen in de loop van het dagelijkse leven van een volwassen muis. Je ziet het volledige scala aan soorten groei die je tijdens de ontwikkeling ziet, zoals groeispurten, verlengingen, intrekkingen of nieuwe toevoegingen, zegt Elly Nedivi, universitair hoofddocent neurobiologie aan het MIT die het onderzoek leidt. Dit is wat de hersenen dagelijks doen. Nedivi hielp bij het ontwikkelen van de nieuwe beeldvormingsprocedure in samenwerking met Peter So, een beeldvormingsexpert op de afdeling bio-engineering van MIT, in de hoop veranderingen in complexe netwerken van vertakkingsachtige projecties die berichten tussen neuronen doorgeven, beter te onderzoeken. Wat ze heeft gevonden, helpt het wetenschappelijke beeld van de hersenen te veranderen.

Ooit dachten wetenschappers dat het volwassen brein grotendeels statisch van structuur was - dat na de neurale groeispurten van de kindertijd en adolescentie, verbindingen tussen neuronen permanent werden aangelegd, als een netwerk van verharde wegen. Maar een groeiend aantal bewijzen suggereert dat het volwassen brein een verrassend vermogen heeft om te reorganiseren. Nedivi en haar team hebben dit idee opnieuw ondersteund en hebben het eerste bewijs geleverd bij levende dieren dat de informatie-uitwisselingsprojecties van neuronen kunnen groeien en terugtrekken op volwassen leeftijd, op manieren die kwalitatief vergelijkbaar zijn met wat ze vroeg in het leven doen.

Neurowetenschappers wisten dat er enkele neurale veranderingen moeten plaatsvinden in het volwassen brein, omdat we ons hele leven blijven leren. Maar mensen wisten niet of die plasticiteit gepaard ging met structurele veranderingen, zegt David Kleinfeld, een neurowetenschapper aan de Universiteit van Californië, San Diego. Nedivi en haar medewerkers, zegt hij, hebben aangetoond dat neuronen van ten minste één bepaald type blijven groeien en evolueren in de volwassen muis.

De sleutel tot Nedivi's ontdekking was het vermogen om week na week naar hetzelfde neuron in een levend dier te kijken. Het meeste eerdere onderzoek naar neuroplasticiteit - het vermogen van de hersenen om nieuwe neurale verbindingen te vormen - onderzocht hersenschijfjes, delen van de hersenen die korte tijd in leven worden gehouden. Hoewel wetenschappers met dergelijke in vitro-onderzoeken kunnen testen hoe neurale verbindingen worden beïnvloed door specifieke factoren, zoals elektrische schokken of verschillende soorten medicijnen, kunnen ze niet aantonen wat er met neuronen in de levende hersenen gebeurt als een dier oud wordt of zich ontwikkelt. een ziekte heeft, of geïsoleerd opgroeit.

Als je wekenlang naar dezelfde cel kijkt, kun je de langzame groei van neuronen in de hersenen aan het licht brengen. Nedivi hoopt het proces te gebruiken om te bepalen wat er misgaat in de hersenen van muizen die zijn ontworpen om de ziekte van Alzheimer en schizofrenie te modelleren. Dergelijke studies zullen zowel nieuwe informatie over de menselijke ziekten bieden als een manier om nieuwe therapieën te testen.

De onderzoekers hopen ook de beste manieren te vinden om hersencellen te laten groeien. Als neuronen zouden kunnen worden overgehaald om nieuwe projecties te laten groeien in specifieke delen van de hersenen of het ruggenmerg, zouden ze in staat zijn om de schade veroorzaakt door een dwarslaesie of beroerte te compenseren.

Een bloeiende boom

Om neuronen in het levende brein te bekijken, plaatsten Nedivi en haar medewerkers vensters in de schedels van muizen die genetisch gemanipuleerd waren om een ​​fluorescerende kleurstof te produceren in een paar willekeurig geselecteerde hersencellen. Door de ramen nemen ze foto's van de fluorescerende neuronen met behulp van een twee-fotonenmicroscoop, een instrument dat beelden met een zeer hoge resolutie maakt.

Een ultrasnelle titanium-saffierlaser stuurt pakketjes licht door een complexe reeks lenzen en spiegels, die het licht op individuele cellen in de hersenen van de verdoofde muis richten. De fluorescerende kleurstof in de geselecteerde neuronen gloeit alleen als twee fotonen op exact hetzelfde moment een kleurstofmolecuul raken, waardoor een nauwkeuriger beeld van de cellen mogelijk is. (Dit is de reden waarom de kamer pikdonker moet zijn: elk vreemd licht zou worden opgepikt door de fotondetector van de microscoop, waardoor het resulterende beeld vertroebeld wordt. Onderzoekers dragen hoofdlampen voor het geval ze apparatuur moeten aanpassen.)

Neuronen bestaan ​​uit een centraal cellichaam en een reeks vertakte uitsteeksels die zich uitstrekken tot in verschillende delen van de hersenen om elektrische signalen te verzenden en te ontvangen. Om de volledige structuur van een bepaald neuron vast te leggen, scant de laser het in horizontale dwarsdoorsneden, waarbij hij bij elke beweging dieper in de hersenen duikt. Onderzoekers gaan door de afbeeldingen - die lijken op Jackson Pollock-schilderijen - en selecteren de vormen die overeenkomen met de projecties. Een computerprogramma hecht de afbeeldingen vervolgens aan elkaar om een ​​3D-model te creëren.

Om vast te leggen hoe de neuronen in de loop van de tijd veranderen, maken de MIT-onderzoekers gedurende enkele weken elke week foto's van hetzelfde neuron, waarbij ze nabijgelegen bloedvaten gebruiken om het te lokaliseren. In een eerder dit jaar gepubliceerde paper in Openbare bibliotheek voor wetenschappelijke biologie , toonde het team aan dat dendrieten - de projecties die neuronen gebruiken om informatie van andere hersencellen te ontvangen - kunnen groeien en draaien en buigen, waardoor nieuwe scheuten als een bloeiende boom kunnen worden uitgezonden. Het is heel krachtig - je kunt de veranderingen echt zien, zegt Lee. En omdat de afbeeldingen zijn verzameld van een levend dier, zegt hij, leggen ze het gedrag van de hersenen veel nauwkeuriger vast dan afbeeldingen van een hersenplak, waarin veel van de neurale verbindingen zijn verbroken.

Dit type groei was nog nooit eerder gezien in studies van levende dieren. Eerdere studies met behulp van twee-fotonbeeldvorming vonden kleine structurele veranderingen in dendritische stekels, kleine bultjes op de oppervlakken van dendrieten. Maar deze studies reconstrueerden slechts kleine delen van elk neuron. Door hele cellen te modelleren, konden Nedivi en collega's grootschalige veranderingen zien die voorheen misschien onopgemerkt waren gebleven. Het meest opwindende aan hun werk is dat het een onverwachte hoeveelheid dynamiek in neuronen laat zien, zegt Josh Sanes, een neurowetenschapper aan de Harvard University wiens laboratorium de muizen heeft ontwikkeld die in het onderzoek zijn gebruikt.

Bovendien ontdekte het team van Nedivi dat alleen een bepaald type neuron deze veranderingen ondergaat. Eerdere studies waren gericht op exciterende neuronen, die elektrische signalen sturen die ervoor zorgen dat andere neuronen vuren. Remmende neuronen daarentegen geven chemicaliën af die voorkomen dat andere neuronen vuren. Het zijn deze neuronen die nieuwe projecties kunnen verlengen en intrekken. Remmende neuronen komen minder vaak voor in de hersenen dan hun prikkelende neven en zijn minder goed bestudeerd.

Groeifactoren

Nedivi's eerste experimenten waren gericht op muizen die een standaard laboratoriumleven leiden, maar nu zij en haar team de normale hoeveelheid neurale plasticiteit bij volwassenen hebben gedefinieerd, kunnen ze onderzoeken hoe verschillende omgevings- of genetische factoren de groei van de hersenen beïnvloeden. Uit eerder onderzoek bleek bijvoorbeeld dat het geven van speelgoed aan jonge knaagdieren of het grootbrengen ervan in een gevarieerd landschap de geboorte van nieuwe hersencellen stimuleert. Met beeldvorming met twee fotonen kunnen onderzoekers onderzoeken hoe het leven in een complexe omgeving de neurale organisatie van de hersenen beïnvloedt. Lee is onlangs begonnen met het bestuderen van de invloed van visuele deprivatie op neurale plasticiteit in de visuele cortex. Deze projecten zullen onderzoekers helpen erachter te komen of verschillende omgevingen de neuronen van de dieren sneller laten groeien of vaker herschikken, en of die veranderingen uiteindelijk leiden tot gedragsverschillen.

Ondertussen, zegt Nedivi, is ze overspoeld met verzoeken van wetenschappers die ziekten als Alzheimer en schizofrenie bestuderen. Als we eenmaal het probleem met elke verschillende ziekte hebben gekarakteriseerd - misschien groeien er minder projecties of wordt alleen een bepaald soort neuron aangetast - dan kunnen we behandelingen op dat probleem afstemmen, zegt ze. We zouden deze technologie ook kunnen gebruiken als een platform om te screenen op therapieën.

Natuurlijk zal elk experiment maanden onder de microscoop vergen. Het kost uren om elk neuron in beeld te brengen en dagen om een ​​driedimensionaal model te construeren uit de tweedimensionale afbeeldingen. Bovendien zullen wetenschappers neuronen van veel dieren nauwgezet moeten vergelijken om een ​​idee te krijgen van de verschillen tussen het gedrag van zieke cellen en dat van gezonde. Tijd is helaas iets wat Nedivi momenteel niet heeft; het lab gebruikt een op maat gemaakte microscoop in het lab van So. Een keer per week stoppen haar studenten hun muizen in dozen en nemen ze mee naar het laboratorium, waarbij ze zoveel neuronen in beeld brengen als de tijd het toelaat. Binnenkort hoopt Nedivi de $ 500.000 te krijgen die nodig is om een ​​instrument op te zetten in haar eigen laboratorium, dat haar onderzoekers onbeperkte tijd zou geven om de hersenen in actie te zien.

zich verstoppen