Ένα από τα φιλόδοξα στοιχήματα της σύγχρονης νευρολογίας είναι η ικανότητα παρακολούθησης του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια της δραστηριότητάς του, χωρίς να επηρεάζουμε την απρόσκοπτη λειτουργία του ή να προκαλούμε βλάβες στους ευαίσθητους ιστούς του. Μέχρι σήμερα, η επιστημονική κοινότητα στήριζε τις μελέτες της σε εξωτερικές πηγές φωτός για να ερευνήσει τις λειτουργίες του νου. Ωστόσο, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Brown φέρνει επανάσταση προσφέροντας μία νέα τεχνολογία που επιτρέπει στα ίδια τα εγκεφαλικά κύτταρα να παράγουν φως, λειτουργώντας όπως μικροσκοπικοί «προβολείς» εντός του σκοτεινού κρανίου.
Η επαναστατική αυτή μέθοδος ονομάζεται CaBLAM (Ca2+ BioLuminescence Activity Monitor) και προμηνύει μία θεμελιώδη αλλαγή στον τρόπο που μελετάμε τις περίπλοκες διαδικασίες της σκέψης, της μνήμης και της συμπεριφοράς.
Από τον φωτισμό στη βιοφωταύγεια
Για πολλές δεκαετίες, η κυρίαρχη μέθοδος για την απεικόνιση της νευρωνικής δραστηριότητας υπήρξε ο φθορισμός. Αυτή η διαδικασία απαιτούσε ισχυρές δέσμες laser για να διεγείρουν πρωτεΐνες στον εγκέφαλο ώστε να εκπέμπουν φως. Παρά την αποτελεσματικότητά της, αυτή η μέθοδος συνοδευόταν από σοβαρούς περιορισμούς.
Ο Κρίστοφερ Μουρ, καθηγητής νευρολογίας στο Πανεπιστήμιο Brown και ένας εκ των επικεφαλής της έρευνας, εξηγεί ότι η συνεχής έκθεση σε έντονο εξωτερικό φως μπορεί να βλάψει τα κύτταρα και να προκαλέσει το φαινόμενο της «φωτολεύκανσης». Αυτό σημαίνει ότι τα μόρια που εκπέμπουν φως χάνουν σταδιακά την ικανότητά τους, περιορίζοντας τη διάρκεια των πειραμάτων. Επιπλέον, ο απαραίτητος εξοπλισμός —όπως οπτικές ίνες και λέιζερ— καθιστά τη διαδικασία επεμβατική και δύσχρηστη.
Η ομάδα του Bioluminescence Hub του Brown προτείνει τη λύση της βιοφωταύγειας. Αντί να ρίχνουν φως απ’ έξω, οι επιστήμονες τροποποίησαν γενετικά τους νευρώνες ώστε να παράγουν το δικό τους φως κατά την ενεργοποίησή τους, μιμούμενοι τη βιοφωταύγεια που παρατηρείται σε πυγολαμπίδες και κάποιους θαλάσσιους οργανισμούς.
CaBLAM: Καθαρή εικόνα χωρίς θόρυβο
Το CaBLAM είναι το αποτέλεσμα μίας μακροχρόνιας συνεργασίας και έχει σχεδιαστεί από τον αναπληρωτή καθηγητή Νέιθαν Σάνερ του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια (Σαν Ντιέγκο). Πρόκειται για ένα μοριακό εργαλείο που επιτρέπει την καταγραφή της δραστηριότητας μεμονωμένων κυττάρων με απαράμιλλη ταχύτητα και ευκρίνεια.
Η επιτυχία του CaBLAM στηρίζεται στην εξάλειψη του «θορύβου». Όταν χρησιμοποιείται εξωτερικό φως (όπως στον φθορισμό), ο εγκεφαλικός ιστός τείνει να διαχέει το φως, δημιουργώντας ασαφείς εικόνες, ειδικά κατά την παρατήρηση πιο βαθιών περιοχών του εγκεφάλου. Αντίθετα, με τη βιοφωταύγεια, το φόντο παραμένει σκοτεινό.
«Με τη βιοφωταύγεια, τα εγκεφαλικά κύτταρα λειτουργούν σαν τα δικά τους φώτα πορείας», δηλώνει χαρακτηριστικά ο Σάνερ. «Απλώς χρειάζεται να παρατηρήσουμε το φως που εκπέμπεται, το οποίο είναι πολύ πιο εύκολο να διακριθεί, ακόμη και όταν διαχέεται μέσα από τον ιστό, καθώς ξεχωρίζει απόλυτα στο σκοτάδι».
Μαραθώνιες καταγραφές και νέες προοπτικές
Οι πρακτικές εφαρμογές της μεθόδου σε πειραματόζωα (ποντίκια και ζέβρα-ψάρια) απέδωσαν εντυπωσιακά αποτελέσματα. Οι ερευνητές κατάφεραν να καταγράψουν τη δραστηριότητα των νευρώνων συνεχώς για πέντε ώρες, κάτι ανέφικτο με παλαιότερες τεχνικές λόγω της εξασθένησης του σήματος.
Αυτή η δυνατότητα συνεχούς παρατήρησης ανοίγει νέες προοπτικές για τη μελέτη πολύπλοκων συμπεριφορών που εξελίσσονται με την πάροδο του χρόνου, όπως η διαδικασία της μάθησης, ο ύπνος ή η αντίδραση σε φαρμακευτικές αγωγές. Ο Μουρ την παρομοιάζει με τη χρήση μιας «υπερ-ευαίσθητης κινηματογραφικής κάμερας» που καταγράφει τη δράση του εγκεφάλου τη στιγμή που συμβαίνει.
Πέρα από την Απεικόνιση: «Καλωδιώνοντας» τον Εγκέφαλο με Φως
Το CaBLAM δεν είναι μόνο ένα εργαλείο παρατήρησης—αποτελεί μέρος μίας ευρύτερης προσπάθειας του Bioluminescence Hub να εφεύρει νέους τρόπους αλληλεπίδρασης με το νευρικό σύστημα. Η ομάδα ερευνά ήδη την ιδέα της επικοινωνίας μεταξύ κυττάρων μέσω φωτός, όπου ένας νευρώνας εκπέμπει λάμψη που ανιχνεύεται και ενεργοποιεί έναν γειτονικό του.
Επιπλέον, οι εφαρμογές της τεχνολογίας δεν περιορίζονται αποκλειστικά στον εγκέφαλο. Ο Μουρ πιστεύει ότι το CaBLAM μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση της κυτταρικής δραστηριότητας σε οποιοδήποτε μέρος του σώματος, προσφέροντας μία καθολική εικόνα του πώς συνεργάζονται διάφορα βιολογικά συστήματα.
