Быстрее, ярче, глубже: новый метод регистрации глубоких нейронов коры
Ученые из Медицинского колледжа Бейлора с коллегами из других учреждений сообщают в журнале Cell о новом биосенсоре, который позволяет нейробиологам в течение длительного времени отображать активность мозга без пропуска сигналов и глубже в тканях мозга, чем это было возможно ранее. Эта работа прокладывает путь к новым открытиям того, как функционирует мозг бодрствующих животных: как здоровых, так и с неврологическими заболеваниями.
Credit: Zhuohe Liu et al. / Cell 2022
Пока вы читаете эти слова, в определенных областях вашего мозга наблюдается всплеск электрической активности с миллисекундной скоростью. Визуализация и измерение этой электрической активности имеет решающее значение для понимания того, как мозг позволяет нам видеть, двигаться, вести себя определенным образом или читать эти слова.
Генетически кодируемые индикаторы напряжения (Genetically encoded voltage indicators — GEVI) — биосенсоры на основе белков, яркость которых модулируется напряжением, — считаются многообещающими инструментами для регистрации работы нейронов с высоким разрешением, динамикой в миллисекундном диапазоне и специфичностью к типу клеток. Особенно востребованы для применения in vivo GEVI, работу которых можно визуализировать с помощью двухфотонной микроскопии (two-photon microscopy — 2PM) – метода, широко используемого для неинвазивной регистрации глубоко залегающих клеток.
В исследованиях с применением двухфотонной микроскопии уже используются флуоресцентные белки, реагирующие на изменение концентрации кальция, которое связано с биоэлектрической активностью клеток. Этот тип биосенсоров отлично подходит для определения того, какие нейроны активны, а какие – нет. Однако они имеют длительное время срабатывания и в связи с этим пропускают много ключевых сигналов.
Целью исследователей было объединить лучшие из существующих методик и разработать биосенсор, который поможет отслеживать активность определенных типов клеток, одновременно улавливая быстрые сигналы, такие как спайки и постсинаптические потенциалы. Авторы статьи создали и использовали автоматизированную систему, которая обеспечила более эффективный способ разработки, отбора и оптимизации флуоресцентных индикаторов напряжения для двухфотонной микроскопии.
С помощью этой системы ученые протестировали тысячи вариантов индикаторов и определили тот, который был быстрее, ярче, чувствительнее и фотостабильнее, чем его предшественники. Они присвоили ему название JEDI-2P (jellyfish-derived electricity-reporting designer indicator for 2-photon).
JEDI-2P лишен трех важных недостатков предшествующих вариантов индикаторов:
– он позволяет регистрировать биоэлектрическую активность в течение 40 минут вместо нескольких минут;
– он способен отображать всплески биоэлектрической активности с временным разрешением около одной миллисекунды;
– он дает возможность визуализировать работу отдельных клеток в глубоких слоях коры головного мозга, а не только на поверхности.
Соавторы статьи из других учреждений (в том числе из Франции и Германии) продемонстрировали, что JEDI-2P можно успешно использовать для регистрации биоэлектрической активности мозга у мышей, а также применять для визуализации биоэлектрической активности сетчатки глаза у мух.
В совокупности эти совместные международные исследования продемонстрировали, что новая технология может быть легко развернута группами нейробиологов, работающими с различными моделями животных и использующими различные методы микроскопии.
Текст: Павел Кулагин
Sustained deep-tissue voltage recording using a fast indicator evolved for two-photon microscopy by Zhuohe Liu et al. in Cell. Published August 2022