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Le proteine fluorescenti illuminano i meccanismi interni del cervello
Le interazioni tra i neuroni coinvolgono sia la segnalazione chimica che quella elettrica. Per decenni, i neuroscienziati hanno cercato un modo non invasivo per misurare il componente elettrico. Raggiungere questo potrebbe rendere più facile studiare come funziona il cervello e come le malattie neurologiche ne compromettono il funzionamento.
Accendere: L'applicazione di tensione ai neuroni mostrati qui ha causato un aumento della fluorescenza.
Un approccio promettente è il monitoraggio dell'attività elettrica neuronale con la fluorescenza, che può essere integrata abbastanza facilmente nelle cellule attraverso la genetica o attaccata agli anticorpi, ma che può essere tossica e lenta a funzionare. La scorsa settimana, i ricercatori hanno presentato un nuovo candidato, una proteina fluorescente di un microbo del Mar Morto, che sembra essere meglio attrezzato per la sfida.
La proteina, chiamata archaerhodopsin-3, o Arch, è stata scoperta più di 10 anni fa, ma solo ora gli scienziati stanno iniziando a realizzare il suo potenziale come strumento di ricerca. In uno studio pubblicato l'anno scorso, i ricercatori hanno usato la luce per innescare una risposta elettrica da Arch che ha messo a tacere i neuroni iperattivi, un approccio che potrebbe portare a nuove terapie per l'epilessia e altri disturbi convulsivi.
In questo studio, i ricercatori hanno preso la strada opposta e hanno usato l'elettricità per suscitare cambiamenti nella fluorescenza di Arch. L'approccio potrebbe portare a metodi più accurati per la registrazione di segnali elettrici dal cervello.
I risultati, pubblicati su Metodi della natura , indicano che Arch potrebbe essere il sensore di tensione non invasivo che i neuroscienziati stavano cercando: non è tossico per le cellule ed è abbastanza sensibile e veloce da rilevare i rapidi cambiamenti elettrici che accompagnano l'attività neuronale.
Sembra ordine di grandezza migliore di qualsiasi altro metodo di imaging ottico che ho visto prima, dice Darcy Peterka , un neuroscienziato della Columbia University che non era coinvolto nello studio.
Il metodo standard per registrare l'attività elettrica nei neuroni in coltura cellulare, che prevede l'inserimento di un elettrodo nella cellula, rimane il più accurato per misurare la tensione in un singolo punto della cellula. Ma perforare un neurone con un elettrodo alla fine lo uccide, mentre Arch permetterebbe ai ricercatori di seguire il segnale elettrico mentre si propaga attraverso la cellula. Permetterebbe inoltre ai ricercatori di registrare più volte dalla stessa cella, consentendo esperimenti a lungo termine che non sarebbero possibili con il metodo standard.
Dipende davvero da quali domande scientifiche stai cercando di rispondere, dice Adam Cohen , ricercatore di biofisica presso l'Università di Harvard e autore principale del nuovo studio.
Lo studio è stato condotto su neuroni di topo in coltura, ma Cohen e i suoi colleghi hanno in programma di utilizzare Arch per misurare l'attività neuronale negli animali vivi, a partire da organismi semplici, come il pesce zebra e il verme C. elegans . Un vantaggio di questi animali è che sono trasparenti, il che rende facile vedere il segnale fluorescente attraverso un microscopio.
Arch potrebbe anche rivelarsi utile per l'imaging di segnali elettrici nel cervello dei mammiferi, in particolare per esperimenti sui topi, che potrebbero essere geneticamente modificati per esprimere la proteina in neuroni specifici o in momenti specifici dello sviluppo, ad esempio.
La sfida di trasferire l'approccio agli animali è assicurarsi che il segnale fluorescente rimanga forte e coerente. Nel cervello vivente, la luce viene assorbita, ad esempio dal sangue, quindi perdi la luce, dice Ed Boyden , il ricercatore del MIT che ha condotto lo studio che ha utilizzato Arch per mettere a tacere i neuroni.
Anche la fluorescenza emessa da Arch non è brillante come alcuni degli altri coloranti disponibili, ma la sua bassa tossicità lo rende meno preoccupante, perché i ricercatori potrebbero compensare utilizzando concentrazioni più elevate. Il fatto che siano riusciti a farlo funzionare bene nei neuroni dei topi è di buon auspicio, dice Peterka.