MIT-Forscher haben einen Weg gefunden, tiefer als je zuvor in das Gehirn zu schauen. Calcium ist ein essentielles Signalmolekül für die meisten Zellen. Es spielt eine noch größere Rolle in Neuronen .
SIEHE AUCH: NEUE STUDIE VERWENDET MRT-SCANS, UM ALZHEIMER UND DEMENTIEN ZU VORHERSAGEN
Wissenschaftler sind seit langem in der Lage, Kalzium in Gehirnwellen abzubilden, um ein Bild davon zu entwickeln, wie sie miteinander kommunizieren. Die derzeitige Technologie ermöglicht jedoch nur eine Bilddurchdringung von wenigen Millimetern.
MRT hilft, ein tieferes Bild zu erhalten
Das MIT-Forschungsteam hat eine Methode entwickelt, die auf der Magnetresonanztomographie MRT basiert und eine viel tiefere Sicht bietet.
„In diesem Artikel wird der erste MRT-basierte Nachweis intrazellulärer Kalziumsignale beschrieben, der direkt analog zu leistungsstarken optischen Ansätzen ist, die in den Neurowissenschaften weit verbreitet sind, aber jetzt die Durchführung solcher Messungen in vivo in tiefem Gewebe ermöglicht“, sagt Alan Jasanoff, MITProfessor für Biotechnik, Gehirn- und Kognitionswissenschaften sowie Nuklearwissenschaft und -technik und assoziiertes Mitglied des MIT McGovern Institute for Brain Research.
In Ruhe haben Gehirnneuronen einen sehr niedrigen Kalziumspiegel. Wenn die Neuronen jedoch einen elektrischen Impuls auslösen, überflutet Kalzium das Neuron.
Neue Methode dringt weiter ein
Wissenschaftler haben dieses Phänomen genutzt, um einen Einblick in die Funktionsweise des Gehirns zu erhalten, indem sie Kalzium mit fluoreszierenden Molekülen markieren. Dies geschieht in Gehirnzellen in einer Laborschale oder im Gehirn lebender Tiere.
Diese Art der Mikroskopie kann jedoch nur wenige Zehntel Millimeter in das Gewebe eindringen, was die Untersuchung auf die Oberfläche des Gehirns beschränkt.
„Mit diesen Tools werden erstaunliche Dinge getan, aber wir wollten etwas, das es uns und anderen ermöglicht, die Signalübertragung auf Zellebene genauer zu untersuchen“, sagt Jasanoff.
Um ihren Traum zu verwirklichen, begannen die Forscher, sich mit der MRT zu befassen. MRT erkennt magnetische Wechselwirkungen zwischen einem injizierten Kontrastmittel und Wassermolekülen in Zellen. Es ist ein gängiges Werkzeug für die nicht-invasive Bildgebung in verschiedenen Körperteilen.
Während andere Untersuchungen an Kalziumsensoren auf MRT-Basis durchgeführt wurden, wurden sie durch das Fehlen der Entwicklung eines Kontrastmittels behindert, das in Gehirnzellen gelangen kann. Das Jasanoff-Team entwickelte ein Kontrastmittel, das Bausteine verwendet, die passieren könnendurch die Zellmembran.
Erfolgreiche Tests an Ratten
Das Mittel enthält Mangan, das an eine Verbindung gebunden ist, die Zellmembranen durchdringen kann. Es enthält auch einen Calcium-bindenden Arm, der als Chelator bezeichnet wird. Sobald sich das Mittel in der Zelle befindet und der Calciumspiegel niedrig ist, bindet der Chelator schwach an das Manganatom, Schutz des Metalls vor MRT-Erkennung.
Wenn die Zelle mit Kalzium geflutet ist, bindet der Chelator an das Kalzium und setzt das Mangan frei. Das Kontrastmittel erscheint dann im MRT-Bild heller.
„Wenn Neuronen oder andere Gehirnzellen, die als Glia bezeichnet werden, stimuliert werden, steigt die Kalziumkonzentration häufig um mehr als das Zehnfache. Unser Sensor kann diese Veränderungen erkennen“, sagt Jasanoff.
Um ihren Wirkstoff zu testen, injizierten die Forscher ihn in die Gehirn von Ratten in einem tiefen Bereich des Gehirns, der als Striatum bekannt ist. Das Striatum ist der Teil des Gehirns, der an der Planung von Bewegungen und dem Erlernen neuer Verhaltensweisen beteiligt ist.
Kaliumionen wurden dann verwendet, um die elektrische Aktivität in den Neuronen des Striatums zu stimulieren, und der Forscher konnte die Calciumantwort in diesen Zellen messen.
Die Forschung wird weiterentwickelt und bietet möglicherweise die Möglichkeit, den Zeitpunkt der Neuronenaktivität tief im Gehirn genau zu verstehen.
„Dies könnte nützlich sein, um herauszufinden, wie verschiedene Strukturen im Gehirn zusammenarbeiten, um Reize zu verarbeiten oder Verhalten zu koordinieren“, sagt Jasanoff. Die Studie erscheint in der Ausgabe vom 22. Februar von Naturkommunikation .