Verfolgen des Informationsflusses im Gehirn

Wissenschaftler am MIT haben einen Kalziumsensor in Nanogröße entwickelt, der möglicherweise Licht in die komplizierte Zell-Zell-Kommunikation bringt, die das menschliche Denken ausmacht. Alan Jasanoff und sein Team vom Francis Bitter Magnet Lab und dem McGovern Institute of Brain Research haben herausgefunden, dass die Verfolgung von Kalzium, einem wichtigen Botenstoff im Gehirn, eine genauere Methode zur Messung der neuronalen Aktivität sein kann, verglichen mit aktuellen bildgebenden Verfahren wie traditionellen funktionellen magnetischen Resonanztomographie (fMRT).

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Wenn ein Neuron feuert, setzt es Kalzium frei. Alan Jasanoff vom McGovern Institute am MIT nutzte diese Beobachtung, um eine neue Methode zur Visualisierung der Gehirnaktivität mit fMRT zu entwickeln. Superparamagnetische Nanopartikel (hier abgebildet) sind mit Proteinen (rot und grün) bedeckt, die aggregieren, wenn Kalzium vom Neuron freigesetzt wird. Die Aggregation dieser Partikel kann durch den MRT-Magneten nachgewiesen werden.

FMRI verwendet starke Magnete, um den Blutfluss im Gehirn zu erkennen, sodass Forscher das menschliche Gehirn in Aktion beobachten können. Durch eine schnelle Reihe von Schnappschüssen können Wissenschaftler beobachten, wie Schlüsselbereiche des Gehirns einer Person als Reaktion auf eine bestimmte Aufgabe oder einen bestimmten Befehl aufleuchten. Die Technologie wurde verwendet, um die Gehirnbereiche zu lokalisieren, die an allem beteiligt sind, von grundlegenden motorischen und verbalen Fähigkeiten bis hin zu dunkleren kognitiven Zuständen wie Eifersucht, Täuschung und Moral.



Leider hat die fMRT, wie sie heute verwendet wird, einen großen Nachteil: Sie misst den Blutfluss oder die Hämodynamik, die ein indirektes Maß für die Aktivität neuraler Zellen ist. Es stellt sich heraus, dass die Hämodynamik im Wesentlichen eine Verzögerung von fünf Sekunden einführt, sagt Jasanoff. Es verhindert, dass Sie schnelle Variationen [der neuronalen Aktivität] erkennen können.

Da Neuronen typischerweise in der Größenordnung von Millisekunden feuern, liefern aktuelle fMRT-Techniken nur eine grobe Schätzung dessen, was das Gehirn zu einem bestimmten Zeitpunkt tut. FMRI-Scans haben auch eine relativ geringe räumliche Auflösung und messen Aktivität in Bereichen von 100 Mikrometern, einem Volumen, das typischerweise 10.000 Neuronen enthält, jedes mit unterschiedlichen Aktivierungsmustern.

Die Bemühungen zur Feinabstimmung der fMRT haben sich auf die Entwicklung stärkerer Magnete und ein besseres Verständnis des Blutflusses und seiner Beziehung zur Gehirnaktivität konzentriert.

Aber Jasanoff glaubt, dass es einen besseren und genaueren Weg gibt, um die neuronale Aktivität zu verfolgen. Er und sein Team betrachten Kalzium als direktes Maß für das neuronale Feuern. Wenn ein Neuron einen elektrischen Impuls an ein anderes Neuron sendet, öffnen sich augenblicklich kalziumspezifische Kanäle in der Membran des Neurons und lassen Kalzium in die Zelle fließen. Es ist ein sehr dramatischer Signalwechsel, sagt Jasanoff.

Fluoreszierende Kalziumsensoren werden bereits in der oberflächlichen optischen Bildgebung verwendet, wurden jedoch noch nicht auf das tiefere Hirngewebe angewendet, das über die starken Magnete von fMRT-Geräten zugänglich ist. Zu diesem Zweck machte sich Jasanoffs Labor daran, einen Kalziumsensor zu entwickeln, der mittels fMRT nachweisbar wäre. Dazu kombinierten sie den Sensor mit einem superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikel – im Wesentlichen einem Magneten von molekularer Größe, der mit fMRT als kontrastreiche Bilder aufgenommen werden kann.

Der Sensor selbst besteht aus zwei separaten Nanopartikeln, die jeweils mit einem anderen Protein beschichtet sind: Calmodulin und M13. In Gegenwart von Calcium binden diese beiden Proteine ​​aneinander. Im Wesentlichen… haben wir zwei Sätze Klettbälle entwickelt, sagt Jasanoff. Einer hat Haken und einer hat Schlaufen, und sie werden nur in Gegenwart von Kalzium zu Klettbällen. Die Proteine ​​zerfallen, wenn Kalzium verschwindet, eine Eigenschaft, die bei der Interpretation des Flusses der elektrischen Aktivität in einem Neuronenkreislauf während einer bestimmten Aufgabe nützlich sein könnte – etwas, das mit der heutigen fMRT nicht möglich ist.

Jasanoffs Forschung ist nur ein erster Schritt zu diesem Ziel. Bisher hat er den Sensor in Reagenzglaslösungen mit und ohne Calcium getestet und die Wechselwirkungen mit der MRT abgetastet. Die ersten Ergebnisse, veröffentlicht in einer aktuellen Ausgabe der Tagungsband der Nationalen Akademien der Wissenschaften, sind vielversprechend: Scans konnten kontrastreiche Bilder der klettähnlichen Kugeln aufnehmen, die sich in Gegenwart von Kalzium zusammenballen. Obwohl die Bilder erst nach vielen Sekunden oder sogar Minuten sichtbar waren, sagt Jasanoff, dass der Sensor sehr anpassungsfähig ist und er plant, sein Zeitverhalten in zukünftigen Tests zu verbessern. Im Moment plant er, Kalziumsensoren in einzelne Zellen von Fliegen und schließlich Ratten zu injizieren.

Außenstehende Beobachter wie Greg Sorensen der Harvard Medical School sind vorsichtig optimistisch, was diese neue Generation der Bildgebung des Gehirns, insbesondere für Anwendungen am Menschen, angeht. Sorensen, außerordentlicher Professor für Radiologie, konzentriert sich auf die Anwendung neuartiger bildgebender Verfahren zur Behandlung neurologischer Erkrankungen.

Intrazelluläre Eisenoxidpartikel hätten in einigen Studien ein ungünstiges Sicherheitsprofil beim Menschen gehabt, sagt Sorensen. Wenn wir erfahren würden, dass diese Methode einige Risiken birgt, aber im Gegenzug die beste Behandlung beispielsweise für Schizophrenie finden könnte, dann könnte das Risiko den Nutzen durchaus wert sein.

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