Новый датчик МРТ может отображать активность глубоко внутри мозга

Исследователи разработали датчик кальция на основе МРТ, который позволяет глубже проникать в мозг. Используя эту технологию, они могут отслеживать электрическую активность внутри нейронов живых животных, что позволяет связать нейронную активность с определенным поведением.

Кальций является важной сигнальной молекулой для большинства клеток, и это особенно важно в нейронах. Отображение кальция в клетках мозга может показать, как нейроны общаются друг с другом. Тем не менее, современные методы визуализации могут проникать в мозг лишь на несколько миллиметров.

Исследователи Массачусетского технологического института разработали новый способ визуализации активности кальция, основанный на магнитно-резонансной томографии (МРТ) и позволяющий им гораздо глубже вглядываться в мозг. Используя эту технику, они могут отслеживать сигнальные процессы внутри нейронов живых животных, что позволяет им связать нейронную активность с определенным поведением.

В этой статье описывается первое обнаружение внутриклеточной кальциевой сигнализации на основе МРТ, которое прямо аналогично мощным оптическим методам, широко используемым в нейробиологии, но теперь позволяет проводить такие измерения in vivo в глубоких тканях.

Алан Джасанофф, профессор MIT, соавтор исследования.

Попасть в клетки

В состоянии покоя нейроны имеют очень низкий уровень кальция. Однако, когда они запускают электрический импульс, кальций попадает в клетку. За последние несколько десятилетий ученые разработали способы изображения этой активности, маркируя кальций флуоресцентными молекулами. Это может быть сделано в клетках, выращенных в лабораторной посуде, или в мозге живых животных, но этот вид микроскопической визуализации может проникать в ткани только на несколько десятых миллиметра, ограничивая большинство исследований поверхностью мозга.

С этими инструментами совершаются удивительные вещи, но мы хотели чего-то, что позволило бы нам и другим глубже взглянуть на передачу сигналов, буквально на клеточном уровне.

Алан Джасанофф, профессор MIT, соавтор исследования.

Чтобы достичь этого, команда MIT обратилась к MRI, неинвазивной методике, которая работает, обнаруживая магнитные взаимодействия между введенным контрастным веществом и молекулами воды внутри клеток.

Многие ученые работают над датчиками кальция на основе МРТ, но основным препятствием является разработка контрастного вещества, которое может проникнуть внутрь клеток мозга. В прошлом году лаборатория Ясанова разработала датчик МРТ, который может измерять внеклеточные концентрации кальция, но они основаны на наночастицах, которые слишком велики для проникновения в клетки.

Для создания новых внутриклеточных сенсоров кальция исследователи использовали строительные блоки, которые могут проходить через клеточную мембрану. Контрастный агент содержит марганец, металл, который слабо взаимодействует с магнитными полями. Также агент связан с органическим соединением, которое может проникать через клеточные мембраны. Этот комплекс также содержит кальций-связывающий захватчик, называемый хелатор.

Попав внутрь клетки, если уровень кальция низкий, хелатор кальция слабо связывается с атомом марганца, защищая марганец от МРТ-обнаружения. Когда кальций поступает в клетку, хелатор связывается с кальцием и высвобождает марганец, что делает контрастное вещество более ярким на МРТ-изображении.

Когда нейроны или другие клетки мозга, называемые глиальными, активизируются, то концентрация кальция увеличивается более, чем в десятки раз. Наш датчик может обнаружить эти изменения.

Алан Джасанофф, профессор MIT, соавтор исследования.

Точные измерения

Исследователи проверили свой датчик на крысах, введя его в стриатум, область глубоко внутри мозга, которая участвует в планировании движения и изучении нового поведения. Затем они использовали ионы калия для стимуляции электрической активности в нейронах полосатого тела и смогли измерить ответ кальция в этих клетках.

Ясанов надеется использовать эту технологию для выявления небольших скоплений нейронов, которые участвуют в определенных видах поведения или действиях. Поскольку этот метод напрямую измеряет передачу сигналов внутри клеток, он может предложить гораздо более точную информацию о местоположении и времени активности нейронов, чем традиционная функциональная МРТ, которая измеряет кровоток в мозге.

Это может быть полезно для выяснения того, как различные структуры мозга работают вместе, чтобы обрабатывать стимулы или координировать поведение.

Алан Джасанофф, профессор MIT, соавтор исследования.

Кроме того, этот метод может быть использован в более широком спектре. Поскольку он основан на принципе отображения уровней кальция, он выполняет множество других функций, таких как содействие активации иммунных клеток. С дальнейшей модификацией его также можно использовать для диагностической визуализации мозга или других органов, функции которых зависят от кальция, таких как сердце.

Автор: MIT

Перевод: Филипп Дончев

Ссылка на источник: https://www.sciencedaily.com/releases/2019/02/190222084247.htm

Источник: m.vk.com

Комментарии: