Νευρώνες που λάμπουν μόνοι τους ανοίγουν νέους δρόμους στη χαρτογράφηση του εγκεφάλου

Ένα από τα μεγαλύτερα στοιχήματα της σύγχρονης νευρολογίας ήταν ανέκαθεν η δυνατότητα να παρατηρήσουμε τον εγκέφαλο εν ώρα δράσης, χωρίς όμως να παρεμβαίνουμε στη λειτουργία του ή να προκαλούμε βλάβες στους ευαίσθητους ιστούς του. Μέχρι σήμερα, η επιστημονική κοινότητα βασιζόταν σε εξωτερικές πηγές φωτός για να «φωτίσει» τα μυστικά του νου. Τώρα, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Brown έρχεται να ανατρέψει τα δεδομένα, παρουσιάζοντας μια τεχνολογία που επιτρέπει στα ίδια τα εγκεφαλικά κύτταρα να παράγουν φως, λειτουργώντας ουσιαστικά ως μικροσκοπικοί «προβολείς» μέσα στο σκοτάδι του κρανίου.

Η νέα αυτή μέθοδος ονομάζεται CaBLAM (Ca2+ BioLuminescence Activity Monitor) και υπόσχεται να αλλάξει ριζικά τον τρόπο που μελετάμε τις πολύπλοκες διεργασίες της σκέψης, της μνήμης και της συμπεριφοράς.

Από τον φθορισμό στη βιοφωταύγεια

Για δεκαετίες, η κυρίαρχη τεχνική απεικόνισης της νευρωνικής δραστηριότητας ήταν ο φθορισμός. Η διαδικασία αυτή απαιτούσε τη χρήση ισχυρών ακτίνων λέιζερ, οι οποίες στοχεύουν τον εγκέφαλο και διεγείρουν ειδικές πρωτεΐνες ώστε να εκπέμψουν φως. Αν και αποτελεσματική, η μέθοδος αυτή συνοδευόταν από σοβαρούς περιορισμούς.

Ο Κρίστοφερ Μουρ, καθηγητής νευρολογίας στο Πανεπιστήμιο Brown και ένας εκ των επικεφαλής της έρευνας, εξηγεί πως η συνεχής έκθεση σε έντονο εξωτερικό φως μπορεί να βλάψει τα κύτταρα, ενώ ταυτόχρονα προκαλεί το φαινόμενο της «φωτολεύκανσης». Αυτό σημαίνει ότι τα μόρια που εκπέμπουν φως χάνουν σταδιακά την ικανότητά τους να λάμπουν, περιορίζοντας τη χρονική διάρκεια των πειραμάτων. Επιπλέον, ο εξοπλισμός που απαιτείται —οπτικές ίνες και λέιζερ— καθιστά τη διαδικασία επεμβατική και συχνά δύσχρηστη.

Η λύση που προτείνει η ομάδα του Bioluminescence Hub του Brown είναι η βιοφωταύγεια. Αντί να ρίχνουν φως απ’ έξω, οι επιστήμονες τροποποίησαν γενετικά τους νευρώνες ώστε να παράγουν το δικό τους φως όταν ενεργοποιούνται, μιμούμενοι τον μηχανισμό που χρησιμοποιούν οι πυγολαμπίδες ή ορισμένα θαλάσσια πλάσματα.

CaBLAM: Καθαρή εικόνα χωρίς θόρυβο

Το CaBLAM είναι το αποτέλεσμα μακροχρόνιας συνεργασίας και σχεδιάστηκε από τον αναπληρωτή καθηγητή Νέιθαν Σάνερ του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια (Σαν Ντιέγκο). Πρόκειται για ένα μοριακό εργαλείο που επιτρέπει την καταγραφή της δραστηριότητας μεμονωμένων κυττάρων με εξαιρετική ταχύτητα και ευκρίνεια.

Το κλειδί της επιτυχίας του CaBLAM βρίσκεται στην εξάλειψη του «θορύβου». Όταν χρησιμοποιείται εξωτερικό φως (όπως στον φθορισμό), ο εγκεφαλικός ιστός τείνει να το διαχέει, δημιουργώντας θολές εικόνες, ειδικά όταν οι ερευνητές προσπαθούν να κοιτάξουν βαθύτερα στον εγκέφαλο. Αντίθετα, με τη βιοφωταύγεια, το φόντο παραμένει σκοτεινό.

«Με τη βιοφωταύγεια, τα εγκεφαλικά κύτταρα λειτουργούν σαν τα δικά τους φώτα πορείας», αναφέρει χαρακτηριστικά ο Σάνερ. «Χρειάζεται απλώς να παρατηρήσεις το φως που εκπέμπεται, το οποίο είναι πολύ πιο εύκολο να διακρίνεις, ακόμη και όταν διαχέεται μέσα από τον ιστό, καθώς ξεχωρίζει απόλυτα στο σκοτάδι».

Μαραθώνιες καταγραφές και νέες προοπτικές

Η πρακτική εφαρμογή της μεθόδου σε πειραματόζωα (ποντίκια και ζέβρα-ψάρια) έδωσε εντυπωσιακά αποτελέσματα. Οι ερευνητές κατάφεραν να καταγράψουν τη δραστηριότητα των νευρώνων συνεχόμενα για πέντε ώρες, κάτι που θα ήταν αδύνατο με τις παλαιότερες τεχνικές λόγω της εξασθένησης του σήματος.

Αυτή η δυνατότητα παρατεταμένης παρατήρησης ανοίγει το δρόμο για τη μελέτη σύνθετων συμπεριφορών που εξελίσσονται σε βάθος χρόνου, όπως η διαδικασία της μάθησης, ο ύπνος ή η αντίδραση σε φαρμακευτικές αγωγές. Ο Μουρ παρομοιάζει την εμπειρία με τη χρήση μιας «ειδικής, υπερ-ευαίσθητης κινηματογραφικής κάμερας» που καταγράφει τη δράση του εγκεφάλου τη στιγμή ακριβώς που συμβαίνει.

Πέρα από την Απεικόνιση: «Καλωδιώνοντας» τον Εγκέφαλο με Φως

Το CaBLAM δεν είναι απλώς ένα εργαλείο παρατήρησης. Αποτελεί μέρος μιας ευρύτερης προσπάθειας του Bioluminescence Hub να δημιουργήσει νέους τρόπους αλληλεπίδρασης με το νευρικό σύστημα. Η ερευνητική ομάδα πειραματίζεται ήδη με την ιδέα της επικοινωνίας μεταξύ κυττάρων μέσω φωτός, όπου ένας νευρώνας εκπέμπει μια λάμψη που ανιχνεύεται και ενεργοποιεί έναν γειτονικό του.

Επιπλέον, οι εφαρμογές της τεχνολογίας δεν περιορίζονται αποκλειστικά στον εγκέφαλο. Ο Μουρ πιστεύει ότι το CaBLAM θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση της κυτταρικής δραστηριότητας σε οποιοδήποτε μέρος του σώματος, προσφέροντας μια ολιστική εικόνα για το πώς συνεργάζονται τα διάφορα βιολογικά συστήματα.