Eine revolutionäre Möglichkeit, Neuronen tief im Gehirn zu sehen

MIT entwickelt eine neue Methode für die intrazelluläre nichtinvasive Bildgebung im Gehirn

Quelle: Kaffee / Pixabay

Eine große Barriere in der Neurowissenschaft ist die Fähigkeit von Forschern, Untersuchungen an einem funktionierenden Gehirn ohne Operation oder Implantation von Sonden durchzuführen. Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) kündigten heute eine neue Methode an, um neuronale Signale in einem lebenden Gehirn nichtinvasiv zu überwachen, und veröffentlichten ihre wissenschaftlichen Ergebnisse in Nature Communications.

Wie beobachten Neurowissenschaftler Neuronen?

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Moderne Wissenschaftler haben Neurone seit vielen Jahren mit Calcium-Imaging untersucht. Kalzium ist ein guter Indikator, da die Kalziumkonzentration in Neuronen im Ruhezustand messbar anders ist als im aktiven Zustand. Die Konzentration der intrazellulären Kalziumkonzentration in Säuger-Neuronen liegt im Ruhezustand bei etwa 50 bis 100 Nanomolar und bei Erregung um das 10 bis 100-fache.

Häufig bilden Neurowissenschaftler die Aktivität von Neuronen für die Forschung in einer Laborschale mit kultivierten Zellen nichtinvasiv ab. Während es möglich ist, die Aktivität in flachen Tiefen von etwa einem Millimeter in intaktem Gewebe zu beobachten, sind für tiefere Eingriffe mehr invasive Techniken erforderlich, bei denen Sonden zur Operation eingesetzt werden müssen.

Was macht diese Entdeckung zum Durchbruch?

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Alan Jasanoff, MIT-Professor und Senior-Autor der Zeitung, beschreibt ihre Forschungsentdeckung, die “erste MRI-basierte Detektion intrazellulärer Kalziumsignale”, um Aktivitätsmessungen tief im lebenden Gehirn zu ermöglichen.

Zu den weiteren Forschungsmitgliedern zählen Ali Barandov und Benjamin B. Bartelle (Hauptautoren) sowie die Autoren Catherine G. Williamson, Emily S. Loucks und Stephen J. Lippard.

Das Team entwickelte eine originelle Möglichkeit, die Aktivität von Neuronen in lebenden Tieren tief und nichtinvasiv abzubilden. Das entscheidende Unterscheidungsmerkmal besteht darin, dass dieser auf der nichtinvasiven Magnetresonanztomographie (MRI) basierende Sensor intrazellulär innerhalb der Neuronen und außerhalb der Zelle arbeitet. Jetzt haben Neurowissenschaftler eine Methode, um Neuronen nicht nur umfassend zu studieren, sondern auch tief im Gehirn lebender Tiere, ohne dass eine Operation oder invasive Sonden erforderlich sind.

Wie hat das MIT-Team das gemacht?

Hier spielen Chemie, Physik und das Verständnis der magnetischen MRI-Technologie eine entscheidende Rolle bei der Entdeckung.

Die Magnetresonanztomographie funktioniert durch Manipulation der Protonen (positiv geladenen subatomaren Teilchen) im Körper. Der menschliche Körper besteht hauptsächlich aus Wasser, wobei die chemische Formel H20 (zwei an ein Sauerstoffatom gebundene Wasserstoffatome) ist. Der durchschnittliche Körper eines Erwachsenen besteht zu 60 bis 70 Prozent aus Wasser und zu 75 Prozent bei Kindern. Wenn sich der menschliche Körper in einem starken Magnetfeld befindet, richten sich die Protonen im Zentrum jedes der Wasserstoffatome des Körpers in dieselbe Richtung.

Kurze Radiowellenstöße werden an Zielbereiche des Körpers abgegeben und stören dabei die Ausrichtung der Protonen. Nachdem die Radiowellen angehalten wurden, senden die neu ausgerichteten Protonen Funksignale, die Informationen über den Ort und den Gewebetyp des Protons enthalten – Protonen in verschiedenen Gewebetypen richten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten mit unterschiedlichen Signalen aus. Das Proton signalisiert das Bild.

Um die Bildqualität zu verbessern, ist ein höherer Kontrast erforderlich. Chemische Kontrastmittel aus metallischen Elementen werden mit einem Chelator verwendet, um die MRI-Bilder zu verbessern. Chelatoren dienen als Bindemittel, um zu verhindern, dass sich das Metall im menschlichen Körper als Sicherheitsmaßnahme festsetzt.

Der Schlüssel zur Lösung der MIT-Forscher besteht darin, dass sie einen Indikator geschaffen haben, der die Zellwände eines Neurons durchdringen und ein Signal erzeugen kann, das durch Kernspintomographie basierend auf der Kalziumkonzentration in den Zellen erfasst werden kann.

Die MIT-Forscher entwickelten einen zellpermeablen Calciumsensor für die calciumabhängige molekulare MRI unter Verwendung einer Kombination eines Kontrastmittels aus Mangan (einem Metall) mit einer organischen Verbindung und einem Calciumchelator, der Bindungen an ein Metallion bilden kann.

Wenn sich die Neuronen im Ruhezustand befinden und die Calciumkonzentration im Inneren relativ niedrig ist, bildet der Calciumchelator chemische Bindungen mit dem Mangan.

Wenn jedoch das Neuron angeregt wird und die Kalziumkonzentration im Zellinneren deutlich höher ist, löst sich die Bindung des Kalziumchelators an das Mangan und bildet stattdessen Bindungen mit dem Kalzium.

Erhöhtes Mangan in der Zelle erhöht den Kontrast und damit die Helligkeit des MRI-Bildes. Die Sensoren des Teams können diese Änderungen erkennen und überwachen.

Warum diese Entdeckung wichtig ist

Die Forscher haben einen Nutzen geschaffen, um neurowissenschaftliche Präzisionsstudien zu ermöglichen. Anstatt die Veränderungen des Blutflusses im Gehirn durch funktionelle MRI (fMRI) zu verfolgen, können Wissenschaftler jetzt die Signalgebung innerhalb der Zellen messen, was um Größenordnungen genauer ist.

Die genauen Mechanismen, wie das Gehirn funktioniert, bleiben zum großen Teil eine Blackbox. Es ist äußerst wichtig, eine Methode zu haben, um die inneren Abläufe im Gehirn zu untersuchen.

Neurowissenschaften sind ein kritischer Bereich der wissenschaftlichen Forschung, der viele andere Disziplinen beeinflusst. Es ist ein multidisziplinärer Zweig der Biologie, der Psychologie, Biochemie, Pharmakologie, Zytologie, Molekularbiologie, mathematische Modellierung, Entwicklungsbiologie und Anatomie integriert.

Neurowissenschaftliche Erkenntnisse führen zu Fortschritten in der Medizin, Biotechnologie, Pharmazie und sogar in der Technologie. Zum Beispiel ist der jüngste Aufschwung bei künstlicher Intelligenz (KI) zum großen Teil auf tiefes Lernen zurückzuführen. Dabei handelt es sich um eine Methode des maschinellen Lernens, bestehend aus Strukturelementen wie neuronalen Netzwerkschichten und Knoten (analog zu Neuronen), die vom biologischen Gehirn etwas inspiriert wurden.

Die demografische Entwicklung der Welt verändert sich und legt einen stärkeren Schwerpunkt auf die Neurowissenschaften – das Studium des Gehirns und des Nervensystems. Nach Schätzungen der Vereinten Nationen werden in allen Regionen der Welt außer in Afrika bis zum Jahr 2050 Menschen ab 60 mindestens 25 Prozent der Bevölkerung ausmachen.

Altersbedingte Erkrankungen und Störungen stellen ein zunehmendes Problem dar, da das Durchschnittsalter der Weltbevölkerung steigt. Zu den psychischen Problemen, die bei älteren Erwachsenen auftreten, zählen Demenz, Alzheimer, Parkinson, Anfälle, bipolare Störungen, Schizophrenie, Depression, Angstzustände, ALS (Lou-Gehrig-Krankheit) und kognitive Beeinträchtigungen. Dies unterstreicht die Notwendigkeit neurowissenschaftlicher Studien, um dieses wachsende Problem anzugehen.

Es gibt viele unbeantwortete Fragen zum Gehirn. Was passiert in unserem Gehirn, wenn wir schlafen, träumen oder in Vollnarkose sind? Was ist die neuronale Basis der Wahrnehmung? Wie bildet das Gehirn aus verschiedenen verteilten sensorischen Eingaben eine einzelne bewusste Erfahrung? Was ist das Wesen des Bewusstseins selbst? Das Verständnis der inneren Funktionsweise von Neuronen in einem lebenden Gehirn kann zu zukünftigen Lösungen führen, die den Zustand des Menschen verbessern und dabei helfen, einige der größten Geheimnisse zu lösen, die die Menschheit verblüffen.

Und so kann die Fähigkeit, nichtinvasiv tief in die intrazelluläre Aktivität von Neuronen im Gehirn zu blicken, zu wissenschaftlichen Fortschritten führen, die tiefgreifende Auswirkungen auf die Zukunft der Menschheit selbst haben.

Copyright © 2019 Cami Rosso Alle Rechte vorbehalten.

Verweise

Barandov, Ali, Bartelle, Benjamin B., Williamson, Catherine G., Loucks, Emily S., Lippard, Stephen J., Jasanoff, Alan. “Erfassung intrazellulärer Calciumionen mit einem MR-Kontrastmittel auf Manganbasis.” Nature Communications. 22. Februar 2019.

Trafton, Anne (2019, 22. Februar). „Neuer MRI-Sensor kann Aktivität tief im Gehirn abbilden.“ Abgerufen 2-22-20109 von http://news.mit.edu/2019/mri-calcium-sensor-image-brain-0222

Grienberger, Christine, Konnerth, Arthur. „Imaging von Kalzium in Neuronen.“ Neuron . 8. März 2012.

NHS. „MRI-Scan – Überblick“. Abgerufen am 22.02.2017 von https://www.nhs.uk/conditions/mri-scan/

Richter, Brian. „Wasser laufen. H20 und der menschliche Körper. “ National Geographic. 6. März 2012.

NIH (2018, 9. Februar). “Alternatives MRI-Kontrastmittel ist in der NIH-Studie eine gute Leistung.” Abgerufen vom 22.02.2010 von https://www.nibib.nih.gov/news-events/newsroom/alternative-mri-contrast-agent-performs-well-nih -Studie

Die Vereinten Nationen. “Altern”. Abgerufen am 22.02.2017 von http://www.un.org/de/sections/issues-depth/ageing/