Tiskane izdaje
Vztrajno raziskovanje in hiter razvoj tehnik, ki naj olajšajo natančnejše proučevanje možganskih funkcij, sta tik pred prvomajskimi prazniki privedla do še enega uspeha: izdelave zanesljivega in učinkovitega orodja, ki znanstvenikom omogoča spremljati aktivnosti možganov v realnem času, in sicer tako, da opazujejo pramene svetlobe, ki zasvetijo med povezanimi živčnimi celicami.
Kar dva raziskovalca z ameriške univerze Stanford sta se ločeno lotila izdelave novega pripomočka, s katerim bi bilo mogoče – sprva seveda le pri laboratorijskih živalih – sprotno opazovati komunikacijo med živci. Z opazovanjem medle svetlobe med povezanimi živčnimi celicami (nevroni) bi bilo poleg drugega mogoče lažje in neprimerno bolje razumeti celo to, kako posamezni živčni signali prispevajo k izjemno kompleksni zbirki človeških misli in spominov.
»Radi bi spoznali, kateri nevroni se aktivirajo, kako se medsebojno povezujejo in kako pravzaprav predstavljajo različne informacije,« je povedal Michael Lin, predavatelj pediatrije in bioinženiringa na univerzi Stanford. »In že zelo dolgo si prizadevamo dobiti orodje, ki bi nam to omogočilo.«
Tako ni presenetljivo, da sta profesor Lin in dr. Mark Schnitzer, ki na isti univerzi predava biologijo in uporabno fiziko, vsak po svoji raziskovalni poti razvila dve metodi, s pomočjo katerih naj bi nevroznanstveniki hitreje in podrobneje spremljali dogajanje v možganih. Njuni študiji sta bili ob koncu aprila objavljeni v revijah Nature Neuroscience in Nature Communications.
Misel kot svetilka
Izuma obeh raziskovalnih skupin imata veliko skupnega. Oba vključujeta beljakovino, ki zasveti, ko po dolgih izrastkih, ki povezujejo živčne celice, steče električni tok. Obe beljakovini je mogoče vstaviti v skupino proučevanih možganskih celic – denimo tistih, ki sodelujejo pri spominjanju, ali onih, ki drugim nevronom specifično preprečujejo aktiviranje –, nato pa v realnem času opazovati, kaj natanko se v teh celicah dogaja.
S takšnim inovativnim raziskovalnim orodjem bo torej v prihodnje povsem mogoče proučevati, kako se učimo, pomnimo in kako se orientiramo v prostoru, skratka, vsako aktivnost, ki potrebuje omrežno sodelovanje večjega števila živcev. Omogočilo naj bi tudi boljše razumevanje teh procesov, kadar ne potekajo pravilno, denimo pri alzheimerjevi in parkinsonovi bolezni ter številnih drugih možganskih okvarah.
Omenjeni beljakovini je mogoče vstaviti tudi v živčne celice v laboratorijski posodi. V tem primeru bi lahko znanstveniki, ki razvijajo nova zdravila, tudi na človeškem živcu v realnem času preizkušali delovanje potencialnih zdravilnih učinkovin. Med drugim bi lahko preverili, kako neko zdravilo spremeni aktiviranje živca. Na nevronih, ki jih je prizadela parkinsonova bolezen, pa bi, denimo, preizkušali učinkovine, ki naj bi okvarjenim celicam omogočile normalnejšo aktivacijo.
Svojevrstno valovanje
Nevroznanstveniki že več kot desetletje proučujejo aktiviranje živcev s posrednimi metodami. Po eni izmed njih vsakič, ko živec pošlje signal, živčno celico zalije kalcij, v pričakovanju naslednjega signala pa je spet odstranjen iz nje. Profesor Schnitzer je razvil miniaturno kamero, ki jo pri proučevanju možganov laboratorijskih miši uporablja prav za snemanje takšnega »valovanja« kalcija. V njegovem laboratoriju so se specializirali za proučevanje predela možganov, ki igra ključno vlogo pri učenju in pomnjenju.
Toda tisto, kar dr. Schnitzer vidi skozi oko svoje drobcene kamere, ni dejanska živčna dejavnost, ampak le njen približek. V resnici namreč opazuje nekakšne sence, katerih oblika pa ni vselej realistična. Primer: kalcij lahko v živčni celici ostane še dolgo potem, ko je signal že šinil mimo nje, in tako zakrije naslednji signal. Včasih pa električni signal kratko malo ne sproži dovolj kalcija, da bi vdrl v živčno celico in povzročil, da beljakovina v njej zasveti.
»Zaznavanje kalcija žal ni dovolj za popolno razumevanje dogajanja v celici,« priznava tudi dr. Schnitzer. »Obstaja namreč še veliko vrst živčnih celic, pri katerih valovanje kalcija še ni dovolj dobro raziskano.«
Prav zaradi takšnih omejitev sta profesorja Lin in Schnitzer sklenila izdelati učinkovitejše orodje. Zaprosila sta in za svoj načrt tudi dobila subvencijo Bio-X, s katerimi na Stanfordu finančno podpirajo tvegane inženirsko-biološke projekte, ki potencialno obetajo rešiti probleme na obeh znanstvenih področjih.
Po dveh poteh k istemu cilju
A čeprav so si v obeh laboratorijih postavili enak cilj in v obeh primerih razvili orodji s presenetljivo podobnimi lastnostmi, so do njih prišli po zelo različnih poteh.
V skupini profesorja Lina so se posvetili izdelavi beljakovine, ki bi jo uporabili kot orodje za proučevanje različnih vidikov celičnega funkcioniranja. Doktor Lin je nedavno dobil posebno priznanje za enega takšnih proteinov, ki jih je mogoče s svetlobo »vključiti« in »izključiti«. Tokrat pa je s sodelavci poskusil uresničiti zamisel, da bi izdelali beljakovino, ki bi zasvetila ob vsaki spremembi električne napetosti, torej takšni, ki nastane, ko živec pošlje električni signal.
Sprva se poskusni protein ni dovolj hitro in močno odzval na spremembe napetosti. Zato so poskusili ustvariti izrazitejši signal, in sicer tako, da so v beljakovino, občutljivo na spremembe v električni napetosti, vstavili fluorescenčen element. Kljub bojazni, da bo dodani element morda zmotil delovanje proučevane beljakovine, se je poskus v celoti posrečil. Novo beljakovino so poimenovali ASAP – kot akronim za znanstveni opis proteina in hkrati kot oznako njegove hitre odzivnosti (as soon as possible, kakor hitro je mogoče).
Tudi v laboratoriju profesorja Schnitzerja so se lotili izdelave beljakovine, občutljive na električno napetost, toda do nje so prišli po drugačni poti. Za izhodišče so izbrali bakterijske proteine, imenovane rodopsini, in izdelali protein, ki – vstavljen v membrano živčne celice – ob vsaki aktivaciji živca medlo zasveti.
»Obe orodji sta podobno učinkoviti, toda to je naključje, saj smo do njiju prišli iz zelo različnih smeri,« je dvojni uspeh komentiral profesor Lin.
Obe raziskovalni skupini sta torej dokazali, da v laboratorijskih pogojih delujeta obe beljakovini v nevronih. Sodelavci profesorja Schnitzerja so svojo beljakovino vgradili tudi v skupino nevronov žive miške in nato proučevali, kako ti proteini v proučevanih živčnih celicah ob vsakem živčnem signalu medlo zasvetijo. Skozi miniaturno okence v miškine možgane so torej neposredno opazovali aktiviranje posameznih možganskih živčnih celic laboratorijske živali. Za opazovanje globljih možganskih predelov pa načrtujejo tudi uporabo kamere, kakršno je razvil profesor Schnitzer.
Kljub nemajhnemu uspehu pa obe raziskovalni skupini svoji orodji pojmujeta kot zgolj začetek. Odločeni so namreč dodatno izboljšati beljakovine, ki bi bile optimalno prilagojene tako za proučevanje različnih vrst celic kot za proizvajanje različnih barv svetlobe. »Vsekakor nam novi orodji potencialno omogočata številna nova vznemirljiva odkritja,« je ponosen dr. Schnitzer.
Profesor Lin pa načrtuje razvoj še inovativnejših metod za snemanje živčne aktivnosti globoko v možganih. Prepričan je namreč, da bi po tej poti dobili še eno učinkovito orodje za boljše razumevanje, zakaj smo ljudje takšni, kakršni smo, prav po zaslugi izjemno kompleksnega prepleta možganskih povezav.
