211service.com
Informatiestroom in de hersenen volgen
Wetenschappers van het MIT hebben een calciumsensor van nanoformaat ontwikkeld die uiteindelijk licht kan werpen op de ingewikkelde cel-tot-celcommunicatie waaruit het menselijk denken bestaat. Alan Jaspers en zijn team bij het Francis Bitter Magnet Lab en het McGovern Institute of Brain Research hebben ontdekt dat het volgen van calcium, een belangrijke boodschapper in de hersenen, een nauwkeuriger manier kan zijn om neurale activiteit te meten, vergeleken met de huidige beeldvormingstechnieken, zoals traditionele functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI).
Wanneer een neuron vuurt, komt er calcium vrij. Alan Jasanoff van het McGovern Institute van MIT gebruikte deze observatie om een nieuwe manier te ontwikkelen om hersenactiviteit te visualiseren met behulp van fMRI. Superparamagnetische nanodeeltjes (hier afgebeeld) zijn bedekt met eiwitten (rood en groen) die aggregeren wanneer calcium door het neuron wordt afgegeven. Aggregatie van deze deeltjes kan worden gedetecteerd door de MRI-magneet.
FMRI gebruikt krachtige magneten om de bloedstroom in de hersenen te detecteren, waardoor onderzoekers het menselijk brein in actie kunnen zien. Via een snelle reeks snapshots kunnen wetenschappers zien hoe belangrijke delen van de hersenen van een persoon oplichten als reactie op een bepaalde taak of opdracht. De technologie is gebruikt om de hersengebieden te lokaliseren die bij alles betrokken zijn, van elementaire motorische en verbale vaardigheden tot duistere cognitieve toestanden zoals jaloezie, bedrog en moraliteit.
Helaas heeft fMRI, zoals het tegenwoordig wordt gebruikt, een groot nadeel: het meet de bloedstroom, of hemodynamica, wat een indirecte maat is voor neurale celactiviteit. Het blijkt dat hemodynamica in feite een vertraging van vijf seconden introduceert, zegt Jasanoff. Het zorgt ervoor dat je geen snelle variatie [in neurale activiteit] kunt detecteren.
Aangezien neuronen doorgaans in de orde van milliseconden vuren, geven de huidige fMRI-technieken slechts een ruwe schatting van wat de hersenen op een bepaald moment aan het doen zijn. FMRI-scans hebben ook een relatief lage ruimtelijke resolutie en meten activiteit in gebieden van 100 micron, een volume dat doorgaans 10.000 neuronen bevat, elk met verschillende activeringspatronen.
De inspanningen om fMRI te verfijnen, waren gericht op het ontwikkelen van sterkere magneten en een beter begrip van de bloedstroom en de relatie met hersenactiviteit.
Maar Jasanoff gelooft dat er een betere, preciezere manier is om neurale activiteit te volgen. Hij en zijn team kijken naar calcium als een directe maat voor neuronaal vuren. Wanneer een neuron een elektrische impuls naar een ander neuron stuurt, gaan calciumspecifieke kanalen in het membraan van het neuron onmiddellijk open, waardoor calcium de cel in kan stromen. Het is een zeer dramatische signaalverandering, zegt Jasanoff.
Fluorescerende calciumsensoren worden al gebruikt in oppervlakkige optische beeldvorming, maar zijn nog niet toegepast op de diepere hersenweefsels die toegankelijk zijn via de krachtige magneten van fMRI-machines. Daartoe begon het laboratorium van Jasanoff met het ontwerpen van een calciumsensor die detecteerbaar zou zijn via fMRI. Om dit te doen, combineerden ze de sensor met een superparamagnetisch ijzeroxide-nanodeeltje - in wezen een magneet van moleculaire grootte die door fMRI kan worden opgepikt als afbeeldingen met hoog contrast.
De sensor zelf is samengesteld uit twee afzonderlijke nanodeeltjes, elk gecoat met een ander eiwit: calmoduline en M13. In aanwezigheid van calcium binden deze twee eiwitten aan elkaar. In wezen ... we hebben twee sets klittenbandballen gemaakt, zegt Jasanoff. De ene heeft haken en de andere heeft lussen, en het worden alleen klittenbandballen in aanwezigheid van calcium. De eiwitten vallen uit elkaar wanneer calcium verdwijnt, een eigenschap die nuttig kan zijn bij het interpreteren van de stroom van elektrische activiteit in een circuit van neuronen tijdens een bepaalde taak - iets dat niet mogelijk is met de huidige fMRI.
Het onderzoek van Jasanoff is slechts een eerste stap in de richting van dat doel. Tot nu toe heeft hij de sensor getest in reageerbuisoplossingen met en zonder calcium, waarbij hij de interacties met MRI scande. De eerste resultaten, gepubliceerd in een recent nummer van de Proceedings van de National Academies of Sciences, zijn veelbelovend: scans waren in staat om contrastrijke beelden op te pikken van de Velcro-achtige ballen die clusteren in de aanwezigheid van calcium. Hoewel de beelden pas na vele seconden of zelfs minuten zichtbaar waren, zegt Jasanoff dat de sensor zeer aanpasbaar is, en hij is van plan om de tijdrespons in toekomstige proeven te verbeteren. Voorlopig is hij van plan calciumsensoren te injecteren in afzonderlijke cellen van vliegen en uiteindelijk ratten.
Waarnemers van buitenaf houden van Greg Sörensen van de Harvard Medical School zijn voorzichtig optimistisch over deze nieuwe generatie beeldvorming van de hersenen, met name voor menselijke toepassingen. Sorensen, universitair hoofddocent radiologie, legt zich toe op het toepassen van nieuwe beeldvormingstechnieken bij de behandeling van neurologische aandoeningen.
Intracellulaire ijzeroxidedeeltjes hebben in sommige onderzoeken een ongunstig veiligheidsprofiel gehad bij mensen, zegt Sorensen. Als we zouden ontdekken dat deze methode enkele risico's met zich meebrengt, maar in ruil daarvoor de beste behandeling voor bijvoorbeeld schizofrenie zou kunnen identificeren, dan zou het risico het voordeel wel waard kunnen zijn.