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光を使用して生きた脳細胞の活動を測定するツール

研究者らは、光を利用して生きた脳細胞の活動を安全かつ効果的に測定する方法を発見した。 10年前、科学者のグループは、生物発光を使用して脳の活動を視覚化するという文字通り素晴らしいアイデアを思いつきました。 ブラウン大学の脳科学教授クリストファー・ムーアは、「私たちは『脳を内側から明るくできたらどうなるだろうか』と考え始めました」と語る。 「脳に光を当てるのは、通常は蛍光と呼ばれるプロセスを介して活動を測定したり、細胞の活動を促進して細胞がどのような役割を果たしているかをテストするために使用されます。しかし、脳にレーザーを照射することには実験となるとマイナス面があり、多くの場合、豪華なハードウェアが必要になり、成功率が低くなります。私たちは代わりに生物発光を使用できると考えました。」 ブラウンズ・カーニー脳科学研究所の生物発光ハブは、米国科学財団からの多額の助成金を受けて、ムーア氏（カーニー研究所副所長）、ダイアン・リプスコム氏（同研究所所長）、ユート・ホッホゲシュヴェンダー氏（セントラル・ミシガン大学）、ネイサン・シャナー氏（カリフォルニア大学サンディエゴ校）の共同研究に基づいて2017年に発足した。 科学者の目標は、神経系細胞に光を生成し、光に反応する能力を与えることに基づいた神経科学ツールを開発し、普及させることでした。 での研究で ネイチャーメソッド、チームは最近開発した生物発光ツールについて説明しました。 Ca2+生物発光活性モニター、略して「CaBLAM」と呼ばれるこのツールは、単一細胞および細胞内活性を高速で捕捉し、マウスやゼブラフィッシュでうまく機能し、複数時間の記録を可能にし、外部光を必要としません。 モア氏は、カリフォルニア大学サンディエゴ校の神経科学および薬理学の准教授であるシャナー氏が、CaBLAMとなる分子デバイスの開発を主導したと述べている。「CaBLAMは、ネイサンが作成した本当に素晴らしい分子です」とムーア氏は言う。 「その名の通りです。」 生きた脳細胞の継続的な活動を測定することは、生物の機能を理解するために不可欠である、とムーア氏は言う。現在最も一般的なアプローチは、蛍光ベースの遺伝的にコード化されたカルシウムイオン指示薬を使用したイメージングを使用します。 「蛍光の仕組みとしては、何かに光線を当てると、別の波長の光線が戻ってくるんです」と生物発光ハブを率いるムーア氏は言う。 「そのプロセスをカルシウム感受性にすることができるので、カルシウムが存在するかどうかに応じて、明るい信号で異なる量または異なる光の色を戻すタンパク質を得ることができます。」 蛍光プローブは多くの状況で役立ちますが、脳活動の監視に蛍光プローブを使用するには大きな制限があると彼は言います。まず、長時間にわたって大量の外部光が脳に照射されると、細胞が損傷を受ける可能性があります。第二に、高強度の照明により、蛍光に関与する分子の構造が変化し、十分な光を発せなくなる可能性があります。これは光退色と呼ばれ、蛍光が使用できる時間が制限されます。最後に、脳に光を当てるには、レーザーやファイバーなどのハードウェアが必要となり、より侵襲的なアプローチが必要になります。 対照的に、酵素が特定の小分子を分解するときに光が生成される生物発光には、いくつかの利点があります。生物発光プローブは明るい外部光を含まないため、光退色のリスクがなく、また光毒性の影響もないため、脳の健康にとってより安全です。 光も入るので見やすくなります。 「脳組織は、外光が当たるとすでにそれ自体でかすかに光り、背景ノイズを生み出します」とシェーナー氏は言う。 「それに加えて、脳組織は光を散乱し、入ってくる光と戻ってくる信号の両方をぼやけます。これにより、脳の奥深くで画像が暗くなり、ぼやけて見えにくくなります。脳は自然に生物発光を生成しないため、人工ニューロンが自ら発光すると、ほとんど干渉せずに暗い背景に対して目立ちます。そして生物発光により、脳細胞はそれ自身のヘッドライトのように機能します。出てくる光を観察するだけでよく、散乱されても非常に見やすくなります。」ティッシュ。」 ムーア氏によると、生物発光で脳の活動を測定するというアイデアは何十年も前からあったが、脳細胞の活動を詳細に画像化できるほど生物発光の光を明るくする方法は今まで誰も考えつかなかったという。 「今回の論文は多くの理由から興味深いものです」とムーア氏は言う。 「これらの新しい分子は、まるで非常に特殊な高感度の映画カメラを使用して、脳の活動が起こっている間にそれを記録しているかのように、単一細胞が独立して活性化しているのを観察できる機能を初めて提供しました。」 この新しいツールは、生きた実験動物の単一ニューロンの挙動を、細胞のサブコンパートメント内の活動に至るまで捉えることができます。この研究では、研究チームは連続 5 時間続く記録セッションのデータを示しましたが、これは時間制限のある蛍光法を使用した場合には不可能でした。 「複雑な行動や学習を研究する場合、生物発光を使用すると、必要なハードウェアを減らしてプロセス全体を捉えることができます」とムーア氏は言います。 この研究は、脳活動を制御および観察する新しい方法を作成するためのハブによる広範な推進の一環です。あるプロジェクトでは、生きた細胞を使って光のバーストを送信し、それが隣接する細胞によって検出され、効果的にニューロンが光を介して通信できるようになります（ムーア氏の言うところの「光で脳を再配線する」）。研究チームは、カルシウムを使用して細胞活動を制御する新しい方法も開発中です。これらのアイデアが具体化されるにつれて、それらはすべて、より明るく、より優れたカルシウム センサーに依存していることが明らかになりました。それが重要な焦点になったとムーア氏は言う。 「私たちは、この分野を前進させようとしているセンターとして、必要な要素を確実に作成しました」とムーア氏は言います。 ムーア氏は、CaBLAM が最終的には脳以外の身体領域の研究に使用できるようになることを期待しています。 「この進歩により、体の複数の部分の活動を一度に追跡するなど、脳と身体がどのように機能するかを確認するためのまったく新しい範囲のオプションが可能になります。」とムーア氏は言います。 この研究への資金提供は、国立衛生研究所、国立科学財団、ポール G. アレン家族財団から行われました。 #光を使用して生きた脳細胞の活動を測定するツール