Polscy badacze opracowali system pozwalający na precyzyjne obrazowanie mózgów żywych poruszających się zwierząt. Nowatorski obrazowód, czyli elastyczne urządzenie pozwalające na monitorowanie aktywności neuronów, może pozwolić na lepsze zrozumienie neurologicznych procesów, na przykład odpowiadających za formowanie się wspomnień czy uzależnień. Badania były finansowane ze środków pochodzących z Funduszy Europejskich z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój w ramach programów Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.
Obserwowanie procesów zachodzących w mózgach 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? – mówi dr hab. Rafał Czajkowski, profesor Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN imienia Marcelego Nenckiego, jeden z badaczy prowadzących badania. ?W ciągu ostatnich 10 lat w miniaturyzacji mikroskopów nastąpił duży postęp i możemy dziś budować urządzenia tak małe, że można je zainstalować na głowie zwierzęcia, które nie czuje z tego powodu 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 opracowane przez polskich badaczy daje nadzieję na przezwyciężenie tych ograniczeń. 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.
Nowatorski obrazowód powstał dzięki współpracy trzech grup w ramach programów finansowanych ze środków POIR przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej: kierowanego przez prof. Leszka Kaczmarka i dra Rafała Czajkowskiego zespołu z Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN (program TEAM), zespołu prof. Ryszarda Buczyńskiego z Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki Sieci Badawczej Łukasiewicz (program TEAM-TECH) oraz grupy dra Radka Łapkiewicza z Instytutu Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (First TEAM). Przedstawiciele zespołów uczestniczących w badaniach podkreślają, że opracowanie urządzenia było możliwe tylko 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.
?Rola FNP była kluczowa, bo każdy z podmiotów, biorących udział w projekcie, był wcześniej beneficjentem programu TEAM? ? dodaje prof. Czajkowski. ?To było katalizatorem kontaktów między poszczególnymi zespołami i, w połączeniu ze wsparciem finansowym pozwalającym na stworzenie wysokiej klasy laboratoriów, pozwoliło zbudować całą grupę?.
Wyniki badań przeprowadzonych przez naukowców zostały opublikowane w prestiżowym magazynie ACS Applied Materials & Interfaces wydawanym przez Amerykańskie Towarzystwo Chemiczne ACS.
Więcej informacji:
- Link do artykułu: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c22985
Programy TEAM, FIRST TEAM oraz TEAM-TECH są realizowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, oś IV: Zwiększenie potencjału naukowo-badawczego, Działanie 4.4 Zwiększanie potencjału kadrowego sektora B+R.
Fot. Pixabay
