‚Voltron‘ imaging-tool erfasst Gehirn Zelle Aktion in lebenden Tieren

Lukas Lavis hat, verbrachte Jahre mit der Entwicklung fluoreszierender Farbstoffe, die in allen Farben des Regenbogens. Die super-helle, langanhaltende Farbstoffe verwendet wurden, die in Labors überall auf der Welt und haben dazu beigetragen, dass der Nobel-Preis-gewinnenden Mikroskopie Fortschritte möglich.

Nicht alle der Teams der Farbstoffe wurden die absoluten Gewinner. Einige sind nur zu präsentieren, neue Methoden oder test konkreter Hypothesen, und manchmal Sie nicht Leuchten in Farben optimal für bioimaging, sagt Lavis, Senior Group Leader am Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus. Aber für Gruppenleiter Eric Schreiter, eine von diesen „bonus“ Farbstoffe—eine Lavis team gemacht, nur um Runden das Spektrum ab—war genau richtig. Die misfit-Farbstoff ist jetzt zu einem Eckpfeiler eines neuen, leistungsstarken Gehirn imaging-tool entwickelt, Schreiter ‚ s lab.

Das tool namens Voltron, können die Forscher verfolgen, Neuronen-Aktivität in lebenden Tieren genauer und für viel längere Zeiträume, als war es einmal möglich, Janelia Wissenschaftler berichten online 1. August in der Zeitschrift Science. Schreiter ‚ s team, gepaart Lavis der Farbstoff mit einer speziell entwickelten protein, das macht die Intensität ändern, wenn bestimmte Neuronen schalten, so dass Forscher um neurale Signale in das Gehirn.

Diese Art von Daten macht es einfacher, die Untersuchung der komplexen Möglichkeiten, Neuronen koordinieren Verhalten, sagt Schreiter.

In Labor-tests mit Voltron, HHMI Ermittler Adam Cohen war in der Lage zu beobachten, Neuronen, die das Licht bis in das Rückenmark der Entwicklung von zebrafischen. „Es war sehr aufregend zu sehen, dass neuronale Aktivität in Echtzeit!“, sagt Cohen, der an der Harvard University und wurde in der Studie nicht beteiligt.

Das Janelia-team hat bereits an Voltron-Komponenten zu mehr als 100 anderen Laboren, die beantragt haben, das tool nach einem Vorabdruck veröffentlicht wurde bioRxiv. „Unsere Philosophie ist es, die Werkzeuge, die wir entwickeln, so breit wie möglich, so bald wie möglich“ Schreiter sagt.

Visualisierung von Spannung

Wissenschaftler Lauschangriffe auf neuronale Gespräche haben eine Vielzahl von unvollkommenen Möglichkeiten, um den intel, die Sie benötigen. Jedes neuronale kommt die Meldung mit einer schnellen Spannungsänderung: die balance von elektrischen Ladungen zwischen innen-und Außenseite der Zelle kurz Verschiebungen vor der Rückkehr zu normalen.

Kleben Elektroden—Stücke Draht oder Glas—in Neuronen ist eine klassische Art und Weise zu Messen, die Spannung ändert. Aber Einhaken Elektroden kann mühsam sein, Schreiter sagt, und es ist schwer zu überwachen, die viele einzelne Neuronen auf einmal.

Andere Techniken mit fluoreszierenden Molekülen zur Ansicht der Neuronen-Ionen-Ebenen, oder verlassen Sie sich auf fluoreszierende Proteine, die verlieren schnell Ihren Glanz. Voltron verwendet stattdessen ein ultra-hellen synthetischen Farbstoff, das strahlt zehn mal mehr Licht als fluoreszierende Proteine. Für Wissenschaftler im Bereich, der Fortschritt macht eine Idee, die lange schon gefallen—direkt zu beobachten Spannungsänderungen in lebenden Tieren “ Neuronen—schließlich fühlen sich die praktische und innerhalb der Reichweite.

Janelia Group Leader Glenn Turner, zum Beispiel, behutsam eingesetzten Elektroden in einzelne Fruchtfliege Gehirn Zellen für die Jahre. Er ist schon ein Fan von Technik, sagt er, aber Voltron lässt ihn überwachen Sie mehrere Zellen auf einmal für 10 bis 15 Minuten in einer Zeit ohne klobig Elektroden—und sogar unterscheiden, Signale von benachbarten Neuronen.

„Mit Voltron, ich bin einen Schritt näher an das werfen aus meinem Elektrode,“ Turner sagt.

Werkzeuge des Handels

Voltron, die Schreiter und Lavis namens als Anspielung auf die 80er-Jahre-cartoon-super-Roboter, ist ein Modulares system, hergestellt aus einem Farbstoff-Molekül, und eine speziell entwickelte multi-part-protein.

Spannungs-sensitive Farbstoffe verwendet worden für Jahrzehnte, sondern im Gehirn, diese Moleküle überall zu verbreiten, die Schaffung einer verwirrenden Kakophonie der Fluoreszenz. Sie können nicht unterscheiden ein neuron von einem anderen, Schreiter sagt.

Stattdessen Voltron basiert auf einer multi-part-voltage-sensitive protein, das es Wissenschaftlern ermöglicht, um das Ziel glühen nur bestimmter Neuronen. Schreiter begann mit einer Spannung-empfindlichen protein, das sitzt in der Neuronen-Membranen und fügte dann ein sticky-tag-Formen, die eine enge Verbindung mit dem Farbstoff-Molekül.

Wie die riesigen Roboter in seinem gleichnamigen cartoon, das sich bildet, wenn fünf Roboter-Löwen zusammen arbeiten, Voltron gewinnt macht aus Ihrer einzelnen Teile kommen zusammen in etwas größer, Lavis sagt. Wissenschaftler können „form Voltron“ durch den Einsatz der speziellen Farbstoff, um die Tiere entwickelt, um die Farbstoff-protein greifen in bestimmten Neuronen von Interesse.

Das team hat sich entwickelt, Mäuse, Fliegen, und Zebrafisch-Gehirn enthalten dieses spezielle protein. Spannung ändert sich von einem neuron Signalisierung ändert sich der protein-Verhalten, so dass die Farbstoff-Moleküle heller und dunkler Dimmen mit Millisekunden-Präzision. Wenn die Wissenschaftler diese Tiere unter dem Mikroskop und Leuchten Licht auf Sie, der Farbstoff strahlt buntes Licht, die eingefangen werden können, die in videos.

Herauszufinden, wie man Voltron die verschiedenen Teile zusammen zu arbeiten nahm einige raffiniert, Schreiter sagt. Ahmed Abdelfattah, ein Neurowissenschaftler an Janelia, getestet zahlreiche Varianten entwickelt, die protein-Farbstoff-Kombinationen. Die meisten arbeiteten in gezüchteter Zellen in Petrischalen, sagt er, aber eine bestimmte, Stand in lebenden Tieren. Das ist die version, dass das team hat die fine-tuning-und Test weiter.

Wissenschaftler verwenden derzeit Voltron mit light-sheet-Mikroskopie und andere Arten von Licht-mikroskopen. Schreiter und Abdelfattah entwickeln möchten, eine Voltron Variante, funktioniert auch mit zwei-Photonen-imaging, eine höhere Auflösung Mikroskopie-Technik.