Lumineszenz hilft Wissenschaftlern dabei, die Arbeit einzelner Neuronen im Gehirn von Tieren zu untersuchen

Published on October 31, 2016

Lumineszenz hilft Wissenschaftlern dabei, die Arbeit einzelner Neuronen im Gehirn von Tieren zu untersuchen


    Quelle: Alexey Kashpersky (kashpersky.com)

    Arten von nachleuchtenden lebenden Organismen sind nicht so selten. Dies sind Glühwürmchen, Bakterien und Quallen mit Würmern, ganz zu schweigen von Tiefseefischen und anderen Tieren. Lumineszenz hilft diesen Organismen, Beute anzuziehen, zu kommunizieren oder einfach den Raum neben ihnen zu beleuchten. Ein Team von Wissenschaftlern der Universität Vanderbilt hat es geschafft, die Lumineszenz in seinen Dienst zu stellen. Wissenschaftler haben eine genetisch veränderte Form eines Enzyms erhalten, das die Biolumineszenz von Körperzellen verursacht und mit seiner Hilfe die Gehirnzellen zum Leuchten bringt.

    Ziel des Projekts ist es, die Biolumineszenz von Gehirnneuronen während ihrer Arbeit bereitzustellen. Dies ermöglicht laut Wissenschaftlern ein besseres Verständnis des Gehirnprinzips einfacher Organismen, was zu einem Verständnis des Gehirnprinzips komplexerer Tiere führen kann.

    Moderne Wissenschaftler verfügen bereits über Technologie, um einzelne Neuronen im Gehirn zu verfolgen. Diese Technologien weisen jedoch eine Reihe von Einschränkungen auf. Beispielsweise können sie verwendet werden, um die Arbeit nur einer bestimmten Anzahl von Neuronen zu verfolgen. Und es gibt mehr als 86 Milliarden davon im menschlichen Gehirn, so dass mit den vorhandenen elektrophysiologischen Methoden nicht alle Abteilungen dieses komplexen Organs gleichzeitig überwacht werden können. Vielleicht hilft modifizierte Luciferase in naher Zukunft, dieses Problem zu lösen.

    Ein Forscherteam veröffentlichte die Ergebnisse seiner Arbeit in der Publikation Nature Communications . Grundlage sind die bisherigen Ergebnisse von Untersuchungen von Spezialisten auf dem Gebiet der Lumineszenz (das Team hat zuvor die einzellige Alge Chlamydomonas untersucht) und der Optogenetik.

    Die Optogenetik ist eine Technik zur Untersuchung der Arbeit von Nervenzellen, die auf der Einführung spezieller Kanäle in ihre Membran - Opsine beruht, die auf Lichtstimulation reagieren. Zur Expression von Kanälen mit gentechnischen Methoden. Für die anschließende Aktivierung oder Unterbrechung der Aktivität von Neuronen und ihren Netzwerken werden Laser, optische Fasern und andere komplexe optische Geräte verwendet. Optogenetik erschien im Jahr 2005. Dann verwendeten die Wissenschaftler zunächst Opsin wie Canrodopsin-2 ( Channelrhodopsin-2, ChR2 ).

    Optogenetikermöglicht nicht nur die Erfassung einer größeren Anzahl von beobachteten Neuronen als bei der Arbeit mit elektrophysiologischen Methoden zur Untersuchung neuronaler Netze. Es eröffnet auch die Möglichkeit einer hochselektiven Aktivierung oder Unterdrückung bestimmter neuronaler Verbindungen. Experten sagen, dass dies dazu beitragen wird, Parkinson, Depressionen, Angstzustände und Epilepsie wirksam zu behandeln. Bei der Anwendung von Methoden der Optogenetik arbeiten Wissenschaftler üblicherweise mit Fluoreszenz.

    Nach Ansicht des Biologieprofessors Carl H. Johnson (Carl H. Johnson), der die Studie leitet, sollte Biolumineszenz anstelle von Fluoreszenz verwendet werden. „Das Licht, das von den fluoreszierenden Zellen erzeugt wird, wird durch das zur Beobachtung benötigte Licht unterdrückt. Lumineszenz funktioniert im Dunkeln “, sagte der Wissenschaftler. Das Problem ist dasDieses fluoreszierende Material ist nicht so einfach in alle Teile des Gehirns einzuführen, die für Wissenschaftler von Interesse sind, da es in jedes einzeln entnommene Neuron integriert werden muss.

    Wissenschaftler haben daher einen anderen Ansatz gefunden. Sie nahmen Luciferase aus dem Körper der nachleuchtenden Garnelen und veränderten sie genetisch so, dass sich die Luciferase-Lichtaktivität in Gegenwart von Calciummolekülen zu manifestieren begann. Die Calciumkonzentration in Neuronen ist ziemlich hoch, aber gleichzeitig ist dieses Element außerhalb der Gehirnzellen gering. Wenn das Neuron ein Signal empfängt, wird die Calciumkonzentration maximal, was zur Lumineszenz der betroffenen Zelle führt. Das modifizierte Enzym konnte sich dank des Virus an die Gehirnzellen binden. Damit haben Wissenschaftler das Enzym in den Kalziumsensor eingeführt und in das Neuron eingeführt.


    Die Lumineszenz einzelner Neuronen wurde durch die Verwendung eines genetisch veränderten Enzyms möglich (Quelle: Johnson Lab / Vanderbilt University).

    Bisher wurde die neue Technologie an im Labor gezüchteten Neuronen sowie an Teilen des Hippocampus des Gehirns von Mäusen getestet. Die Vorbereitung einer Lumineszenzprobe dauert drei Wochen. In beiden Fällen begannen die Neuronen zu leuchten, als sie ein elektrisches Signal erhielten, was zu einem Anstieg der Calciumkonzentration führte. Der Erfolg der Wissenschaftler beruht auch auf der Tatsache, dass kürzlich eine neue Luciferase namens NanoLuc geschaffen wurde .

    "Wir haben gezeigt, dass unsere Technologie funktioniert", sagte Johnson. „Jetzt müssen wir feststellen, wie empfindlich es ist. Wir glauben, dass die neue Methode genau genug ist, um die Aktivierung einzelner Neuronen zu bestimmen, aber um dies zu überprüfen, müssen wir zusätzliche Tests durchführen. “

    Die Forscher veröffentlichten Informationen über das genetisch veränderte Enzym in der AddGene- Ressource . Der Zugriff auf diese Informationen ist kostenlos.