Rzucenie nowego światła na potencjał optogenetyki
Zrozumienie, jak działa mózg, zaczyna się od obrazowania. Badanie bardziej złożonych funkcji mózgu wymaga jednak zastosowania zaawansowanej technologii, która znacznie wykracza poza obecny stan wiedzy. W wypełnieniu tej luki pomagają inicjatywy takie jak finansowany ze środków UE projekt BrainBIT. Obierając za ambitny cel wykorzystanie światła do przenoszenia istotnych pod względem behawioralnym wzorców aktywności neuronalnej pomiędzy obiektami, zespół projektu zamierzał opracować technologie optyczne zdolne do jednoczesnego odczytywania i kontrolowania aktywności neuronalnej u takich zwierząt jak larwa danio pręgowanego i myszy.
Wzbudzenie dwufotonowe na potrzeby lepszej separacji widmowej
Być może nie jest to zaskoczeniem, ale dokonanie tego było nawet trudniejsze niż początkowo oczekiwano. „Ponieważ długości fal mózgowych używanych do wzbudzania fluorescencji i stymulacji optogenetycznej były zbyt zbliżone, ryzykowaliśmy zaburzeniem prawidłowego rozdziału tych dwóch funkcji”, wyjaśnia Francesco Pavone, fizyk z Uniwersytetu we Florencji i koordynator projektu BrainBIT. Aby pokonać to wyzwanie, badacze zrezygnowali z wzbudzenia jednofotonowego na rzecz wariantu dwufotonowego, zarówno dla wzbudzenia fluorescencji, jak i stymulacji optogenetycznej. „Ponieważ wzbudzenie dwufotonowe wymaga prawie dwukrotnie dłużej fali niż ta potrzebna w wariancie jednofotonowym, byliśmy w stanie zapewnić lepszą separację widmową”, mówi Pavone. Projekt wsparła finansowo Europejska Rada ds. Badań Naukowych.
Wykorzystanie światła jako interwencji neuromodulacyjnej po udarze mózgu
Mając możliwość wykorzystania wzbudzenia dwufotonowego, zespół zbudował najnowocześniejszy system optyczny zdolny do przeprowadzenia szybkiego, funkcjonalnego obrazowania całego mózgu larwy danio pręgowanego. Może on też zapewnić jednoczesną optostymulację dowolnych wzorców neuronalnych. „Udało nam się wykorzystać ten system do rejestracji napadów padaczkowych i opisania, po raz pierwszy w historii, osobliwego wzorca propagacji przypominającego falę przechodzącą przez mózg larwy”, zauważa Pavone. Wykorzystując drugi układ optyczny, zespół badawczy zastosował stymulację optogenetyczną jako przedkliniczną interwencję terapeutyczną u myszy dotkniętych udarem. „Świadczy to o możliwości umiejętnego wykorzystania światła jako interwencji neuromodulacyjnej w celu sprawniejszego przywracania upośledzonych funkcji po udarze mózgu”, dodaje Pavone.
Udostępnienie wyników badań
Chociaż projekt BrainBIT dobiegł już końca, Pavone ma wielkie plany dotyczące tego, jak wykorzystać jego wyniki. „Uważamy, że technologie opracowane w ramach tego projektu będą bardzo pomocne dla innych neurobiologów i chcemy zachęcić do ich szerokiego przyjęcia”, mówi. „Dlatego też planujemy przeprojektować systemy optyczne na moduły optyczne o otwartym dostępie, które każdy może zbudować samodzielnie, tym samym obniżając koszty dostępu do tych najnowocześniejszych technologii”. Pavone pracuje również nad dalszym rozwojem systemu szybkiego obrazowania opracowanym w ramach projektu i planuje przetestować wykorzystanie optogenetyki jako interwencji przedklinicznej w celu zahamowania aberracji aktywności neuronalnej u danio pręgowanego przed wystąpieniem widocznego napadu. Ponadto chce zbadać, czy system obrazowania można wykorzystać do jednoczesnej rejestracji aktywności mózgu i serca.
Słowa kluczowe
BrainBIT, neurobiolodzy, optogenetyka, udar mózgu, mózg, obrazowanie, aktywność neuronów, technologie optyczne, długość fal mózgowych, wzbudzenie fluorescencji, stymulacja optogenetyczna, napady padaczkowe
