System pozwalający na precyzyjne obrazowanie mózgów poruszających się zwierząt opracowali badacze z Polskiej Akademii Nauk, Sieci Badawczej Łukasiewicz i Uniwersytetu Warszawskiego. Nowatorski obrazowód, czyli elastyczne urządzenie umożliwiające monitorowanie aktywności neuronów, pomoże w zrozumieniu neurologicznych procesów, np. odpowiadających za formowanie się wspomnień czy uzależnień.
Obserwowanie procesów zachodzących w mózgu jest kluczowe dla lepszego zrozumienia szeregu zjawisk, od uczenia się, przez procesy neurodegeneracyjne towarzyszące np. chorobie Alzheimera, po fizjologiczne podstawy schorzeń psychiatrycznych czy formowanie uzależnień. Badania nad tymi zjawiskami prowadzi się często z wykorzystaniem myszy i szczurów – modeli zwierzęcych szczególnie użytecznych w badaniach mózgu i jego schorzeń. Wymaga to jednak korzystania ze zminiaturyzowanych urządzeń, które umożliwiają precyzyjne obrazowanie bardzo małych wycinków mózgu. Urządzenia nie mogą jednocześnie ograniczać możliwości poruszania się badanych zwierząt ani powodować u nich dyskomfortu, który mógłby wpłynąć na wyniki obserwacji.
Jesteśmy zainteresowani tym, by obrazować działanie mózgu nie w sytuacjach sztucznych, tylko wtedy gdy faktycznie wykonuje on swoją pracę – przekonuje dr hab. Rafał Czajkowski z Instytutu Biologii Doświadczalnej im. Marcelego Nenckiego PAN. – W ciągu ostatnich 10 lat w miniaturyzacji mikroskopów nastąpił duży postęp i możemy dziś budować urządzenia tak małe, że da się je zainstalować na głowie zwierzęcia bez sprawiania mu dyskomfortu. Istniejące urządzenia mają jednak istotne ograniczenia – bardzo trudno jest za ich pomocą obserwować struktury znajdujące się w głębi mózgu. Są też mało elastyczne i nie zawsze gwarantują wystarczającą jakość obserwacji – dodaje naukowiec.
Urządzenie stworzone przez polskich badaczy daje nadzieję na przezwyciężenie tych barier. Obrazowód zbudowany jest z dwóch rodzajów specjalnych szkieł stworzonych w laboratoriach Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki Sieci Badawczej Łukasiewicz. Elastyczne urządzenie po precyzyjnym umieszczeniu w mózgu myszy czy szczura umożliwia obserwację pojedynczych neuronów, nawet gdy zwierzę swobodnie się porusza. Zastosowane w projekcie szkła były pierwotnie wykorzystywane w projektach związanych z transmisją danych i astronomią, ich doskonałe właściwości optyczne dały jednak możliwość zastosowania ich do obrazowania biologicznego.
Dzięki inżynierii genetycznej możemy zmodyfikować neurony zwierzęcia tak, by ich aktywność była widoczna w postaci fluorescencji. Możemy obserwować te zmiany w czasie rzeczywistym – tłumaczy prof. Czajkowski. – Zajmuję się pamięcią przestrzenną, w związku z tym mogę wykorzystać nowy obrazowód w sytuacji, w której monitoruję działanie poszczególnych neuronów, podczas gdy zwierzę obserwuje otoczenie i reaguje na zmieniającą się rzeczywistość w zadaniu będącym modelem ludzkiej nawigacji. Myszy uwielbiają poszukiwanie smakołyków w labiryncie, a nasze obserwacje wynikające z takich eksperymentów pozwolą na zrozumienie ludzkich problemów, na przykład utraty pamięci przestrzennej w chorobie Alzheimera.
To jednak nie koniec możliwości obrazowodu. Umożliwia on także obserwację aktywności genów związanych z procesami uczenia się czy neurodegeneracji. Wykazanie roli tych genów w układzie nerwowym przez prof. Leszka Kaczmarka było jednym z najbardziej doniosłych w skali światowej odkryć dokonanych przez polskich uczonych. Działanie tych tzw. genów wczesnej odpowiedzi prowadzi do pojawienia się w komórkach białek, które są znacznikami plastyczności neuronów. System pozwala na obserwację tego procesu w czasie rzeczywistym. Możemy dzięki temu obserwować „na żywo” gdzie i w jaki sposób tworzy się ślad pamięci w mózgu.
Opracowanie urządzenia było możliwe dzięki połączeniu wiedzy i umiejętności biologów, fizyków i chemików.
Z naszego punktu widzenia najciekawsze było to, że mieliśmy szansę na rozwiązanie problemów prawdziwych użytkowników mikroskopów, mogliśmy pracować bezpośrednio z ludźmi, którzy używają mikroskopii fluorescencyjnej, aby odpowiedzieć na pytania badawcze z neurobiologii, i w tym celu stawiają bardzo konkretne wymagania – wyjaśnia dr Radek Łapkiewicz z Instytutu Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.
Wyniki badań przeprowadzonych przez polskich naukowców zostały opublikowane w prestiżowym magazynie ACS Applied Materials & Interfaces wydawanym przez Amerykańskie Towarzystwo Chemiczne ACS. Badania były finansowane ze środków pochodzących z Funduszy Europejskich z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój w ramach programów Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.
źródło: FNP