Forskare har konstruerat ett protein som upptäcker subtila glutamatsignaler mellan neuroner och avslöjar en tidigare dold aspekt av hjärnkommunikation. Verktyget möjliggör realtidsobservation av hur hjärnceller bearbetar inkommande information, vilket potentiellt främjar studier om lärande, minne och neurologiska störningar. Resultaten, publicerade i Nature Methods, belyser ett genombrott inom neurovetenskap.
Hjärnans neuroner kommunicerar via elektriska och kemiska signaler, men hittills har forskare bara kunnat observera de utgående elektriska meddelandena, vilket lämnat de inkommande kemiska utbytena till stor del osynliga. En ny proteinsensor, iGluSnFR4 – uttalas 'glue sniffer' – förändrar det genom att fånga upp svaga glutamatutsöndringar vid synapser i realtid. Glutamat, hjärnans primära excitatoriska signalsubstans, är avgörande för processer som lärande och minne, men dess korta, svaga signaler har varit svåra att mäta.
Utveckad av team vid Allen Institute och HHMI:s Janelia Research Campus fungerar iGluSnFR4 som en molekylär indikator som är tillräckligt känslig för att upptäcka även de minsta synaptiska händelserna. Det gör det möjligt för forskare att se hur enskilda neuroner integrerar tusentals inkommande signaler innan de beslutar att avfyra, och belyser komplexa hjärnberegningar som ligger bakom tankar och beslut.
"Det är som att läsa en bok där alla ord är omkastade och man inte förstår ordningen eller hur de är arrangerade", förklarade Kaspar Podgorski, huvudförfattare och seniorforskare vid Allen Institute. "Det vi har uppfunnit här är ett sätt att mäta information som kommer in i neuroner från olika källor, och det har varit en kritisk pusselbit som saknats i neurovetenskaplig forskning."
Verktyget lovar också för sjukdomsforskning. Störningar i glutamatsignalering är inblandade i tillstånd som Alzheimers sjukdom, schizofreni, autism och epilepsi. Genom att exakt övervaka dessa signaler kan forskare bättre förstå sjukdomsmekanismer och testa potentiella behandlingar.
Samarbete var nyckeln till sensorens framgång. "Framgången för iGluSnFR4 kommer från vårt nära samarbete som startade vid HHMI:s Janelia Research Campus mellan GENIE Project-teamet och Kaspars labb", sade Jeremy Hasseman, forskare vid Janelia. Proteinet är nu tillgängligt för forskare via Addgene, vilket främjar bredare användning inom neurovetenskap.
Detta framsteg överbryggar ett gap i observationen av fullständiga neuronala samtal, från fragmenterade vyer till heltäckande insikter i hjärnfunktion.
