Wissenschaftler mit einer speziellen fluoreszierenden proteins zur Untersuchung der Nervenzellen-Aktivität

Elektrische Ströme sind für das bloße Auge unsichtbar – zumindest sind Sie, wenn Sie fließen durch Kabel aus Metall. In Nervenzellen, jedoch sind die Wissenschaftler in der Lage, um elektrische Signale sichtbar. Sie arbeiten mit anderen Experten aus der Schweiz und Japan haben Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Medizinische Forschung in Heidelberg erfolgreich eingesetzt werden, eine spezielle fluoreszierende protein zu visualisieren, die elektrische Aktivität von Nervenzellen im intakten Gehirn von Mäusen gemessen. In einer Meilenstein-Studie, die Wissenschaftler sind in der Lage, die Methode zu beobachten, Aktivität in Nervenzellen, während das Verhalten der Tiere. (Frontiers in Neural Circuits, 29 April 2010)

Nervenzellen kommunizieren miteinander über so genannte aktionspotentiale. Während ein aktionspotential, voltage-gated calcium-Kanäle geöffnet, die sich in raschem calcium-Ionen-Einstrom. Wegen dieser engen Kopplung, fluoreszierenden calcium-Indikator-Proteine visualisieren können aktionspotentiale. Diese Proteine haben zwei fluoreszierende Untereinheiten, von denen strahlt gelbes Licht, und die andere blau. Wenn die Proteine binden Kalzium, das Verhältnis von gelb zu blau das Licht verändert. Farbenspiel von blauem hin zu gelbem Licht so berichten verschiedene calcium-Ebenen – das ist der Grund, warum das protein wurde als ein „Chamäleon“.

Die Messung von aktionspotentialen optisch

Mit dem Chamäleon-protein YC3.60, eine ziemlich neue Variante, den Wissenschaftlern gelang es bei der Erfassung der Reaktion von Nervenzellen auf sensorische Reize im intakten Gehirn von Mäusen: jedes mal, wenn die schnurrhaare wurden abgelenkt durch einen Luftstoß, es war ein Wechsel der Farbe in der Chamäleon-Proteine in den Nervenzellen der sensorischen Bereichen des Kortex. Es kann daher abgeleitet werden, dass die betroffenen Zellen reagierten auf die Stimulation mit aktionspotentialen. „Die Chamäleon-protein YC3.60 gibt uns die Möglichkeit zur Messung der aktionspotentiale nicht nur in hirnschnitten, sondern auch im intakten Gehirn. Das Molekül reagiert schnell und empfindlich und erfasst auch Veränderungen in der Kalzium-Konzentrationen auftreten, die in rascher Folge“, erklärt Mazahir Hasan vom Max-Planck-Institut für Medizinische Forschung.

Die Wissenschaftler waren in der Lage zu untersuchen, die Aktivität einzelner Zellen wie auch mit ganzen Gruppen von Nervenzellen. „YC3.60 hat sich daher erwiesen sich als ein geeignetes Werkzeug für die Untersuchung Nervengewebe auf verschiedenen Ebenen: auf der einen Seite können wir überwachen die Fluktuation von calcium und ableiten von aktionspotentialen in Nervenzellen. Und was ist noch günstiger, wir können gleichzeitig Messen die Aktivität der neuronalen Netzwerke oder ganze Regionen des Gehirns“, sagt Mazahir Hasan. Folglich werden im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler zu tun ist, um selektiv einzuführen, die Chamäleon-Proteine in einem spezifischen kortikalen Schicht oder in unterschiedlichen Typen von Nervenzellen. „Dann können wir vielleicht in der Lage sein, zu verstehen, wie unterschiedliche Nervenzellen in neuronalen Schaltkreisen komplexe Verhaltensweisen erzeugen“, sagt Mazahir Hasan hoffentlich.

Messungen ohne Elektroden

Chamäleon-Proteine könnten also eine Revolution der Untersuchung der elektrischen Aktivität im Gehirn. Bis heute der einzige Weg, der Wissenschaftler könnte dies tun, ist durch einsetzen von Elektroden in das Nervengewebe oder die Zellen. Diese Elektroden-Technik wird blind für Zell-Identität und schädigen das Gewebe. Durch Kontrast, die cameleon-proteins ändert sich die Farbe beobachtet werden kann, in einer viel weniger invasive Verfahren mit Glasfasern als Lichtleiter oder mit Hilfe moderner fluoreszenzmikroskope – bekannt als zwei-Photonen-laser-scanning-Mikroskope. Darüber hinaus Chamäleon-Proteine von den Zellen selbst gebildet, sofern eine entsprechende DNA-Abschnitt eingefügt wurde in das Genom im Voraus. In den Experimenten der Forscher dienten Viren als Vehikel für den Schmuggel die genetische information für die Chamäleon-Proteine in die Nervenzellen.

In zwei früheren Studien, die ein internationales team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Mazahir Hasan waren die ersten, die zeigen, dass ähnliche genetische Sonden erfolgreich zu erkennen, natürlichen Empfindung (wie riechen und fühlen) im Gehirn von Säugetieren in form von eindeutigen aktivitätsmustern (Hasan et al., 2004) und, noch wichtiger, mit single-cell, single-action-möglichen Auflösung (Wallace et al., 2008). In der aktuellen Studie, die Sie erreicht haben, noch ein weiterer wichtiger Meilenstein, da Sie zeigen, dass die cameleon-YC3.60 kann werden verwendet, um den Datensatz Aktivität aus einer großen Anzahl von Nervenzellen während Verhalten in frei beweglichen Mäusen. Darüber hinaus ist es gut geeignet für die Aufnahme von Aktivität, die von den gleichen Nervenzellen in der gleichen Tiere über einen längeren Zeitraum und soll den Wissenschaftlern helfen, zu verstehen, wie die Netzwerk-Aktivitäts-Muster bilden, um code für die verschiedenen Erfahrungen und das Verhalten der Tiere.

Diese neuen Fortschritte, die Verwendung von Licht zur Untersuchung des Gehirns, bieten uns eine einzigartige Gelegenheit, zu erforschen, wie Erinnerungen gebildet werden und verloren gehen und außerdem, Wann und wo die Nervenzellen-Aktivitätsmuster verändert wurden, wie im Fall des Alterns und auch bei neurologischen Krankheiten wie Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Krankheit und Schizophrenie.

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