Neuartige Technik, die hilft zu erklären, warum helles Licht hält uns wach

In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler gelernt, viel darüber, wie verschiedene Neuronen verbinden und senden der Signale zu einander. Aber es war schwierig zu verfolgen, die Aktivität einzelner Nervenfasern bekannt als Axone, von denen einige erstrecken sich von der Spitze der Zehe bis zum Kopf. Das Verständnis dieser Zusammenhänge ist wichtig, um herauszufinden, wie das Gehirn empfängt und reagiert auf Signale aus anderen teilen des Körpers.

Forscher am Salk Institute und der UC San Diego berichten von einer neuartigen Technik, die für die Verfolgung dieser verbindungen und die Bestimmung, wie Neuronen kommunizieren. Das team verwendet diese Technik, um aufzudecken, details darüber, wie das Gehirn reagiert auf Licht empfangenen Signale von der Netzhaut bei Mäusen, veröffentlicht Oktober 15, 2019, die in Cell Reports.

„Diese Studie ist ein Durchbruch, weil niemand herausfinden konnte, wie die Studie diese verbindungen vor,“ sagt Salk Professor Satchidananda Panda, co-entsprechenden Autor des Papiers. „Diese neue Technik hat es uns ermöglicht, weit über die Grenzen der Elektronenmikroskopie.“

Die neue Methode nutzt mehrere verschiedene Labor-Techniken zu verstehen, eine Art von neuron genannt intrinsisch photosensitiven retinalen Ganglienzellen (ipRGCs). Diese Zellen, die sich in der retina, in der Rückseite des Auges, schnelles ein protein namens melanopsin, das die Sinne blauem Licht.

Die Salk und die UCSD-teams verwendet, einen virus zu liefern, ein protein, das als ein mini-Singulett-Sauerstoff-Erzeugung von protein (mini-SOG) zu den ipRGCs, so dass die Zellen angesehen werden könnten, die in mehr detail unter Wahl-Mikroskopie. Das system wurde entwickelt, um die Leine die mini-SOG auf die Membranen der Licht-empfindlichen Zellen, so dass das gesamte neuron, einschließlich Ihrer lange Axone, die bis in die verschiedenen Teile des Gehirns, können problemlos nachverfolgt werden unter Licht-und Elektronenmikroskop.

„Dank der Entwicklung und Anwendung von neuen, gentechnisch eingeführten Sonden für korrelierte multiskalen-Licht-und Elektronen-mikroskopische Bildgebung, unsere Salk und UCSD-based research-teams waren in der Lage zu Folgen, die kleinen Prozesse, die von den Nervenzellen in Zentimeter, auf dem Weg von der Netzhaut an mehreren Orten, wo Sie eine Verbindung zu Hirnregionen, die entscheidend für den circadianen Rhythmus, Augen-Reflexe und vision“, sagt Mark Ellisman, distinguished professor für Neurowissenschaften an der UC San Diego und außerordentlicher professor am Salk, die co-Leitung der Arbeit. „Wir waren in der Lage zu erhalten beispiellosen drei-dimensionale information über die Maschinen für diese neuronalen Zellen zu signalisieren, die nächste Neuronen, die in komplexen schaltungen.“

Die meisten bisherigen arbeiten mit mini-SOGs wurde in Zell-Linien, und verwenden Sie in der Maus, um die Karte, wie Neuronen aus der retina Draht das Gehirn, war der erste, nach dem Forscher. Die Methode, die es Ihnen ermöglichte, zu Lesen, neue Informationen über die verbindungen zwischen ipRGCs und verschiedene Teile des Gehirns.

Die ipRGCs sind bekannt, um zu verbinden, um viele Regionen des Gehirns, die Regeln, die ganz verschiedene Aufgaben. Die Zellen sagen, ein Teil des Gehirns, wie hell es draußen ist, so dass unsere Schüler können sich rasch in der Nähe—in weniger als einer Sekunde. Das gleiche ipRGCs auch eine Verbindung zum „master clock“ im Gehirn, das reguliert den Schlaf-wach-Zyklus. „Allerdings dauert es einige Minuten helles Licht, um uns hellwach,“ Panda sagt. „Wie die gleichen ipRGCs tun diese sehr unterschiedlichen Aufgaben mit unterschiedlichen Zeitskalen nicht klar war, bis jetzt.“

Die Forscher fanden heraus, dass der Unterschied hat zu tun mit der Art und Weise, dass Licht erkannt von der Netzhaut in das Gehirn gelangt. Durch die Bereitstellung der mini-SOG auf die Augen der Mäuse, Sie waren in der Lage zu verfolgen, das signal an den Teil des Gehirns, verengt die Pupille, die in Reaktion auf Licht.

„Diese verbindungen, die viel stärker waren—ähnlich wie Wasser gießt aus einem Gartenschlauch,“ Panda sagt. „In der Erwägung, dass die Verbindung zwischen der ipRGCs und die master-clocks schwächer waren—mehr wie die Tröpfchenbewässerung.“ Da die ipRGCs liefern das Licht-signal zur zirkadianen center durch diese langsame Tropf-system, es dauert länger, für jeden sinnvolle Informationen zu erreichen, und setzen Sie die Gehirn-Uhr.

„Diese Forschung hilft zu erklären, warum, wenn Sie aufstehen in der Nacht einen Schluck Wasser und schalten Sie das Licht für ein paar Sekunden, Sie sind in der Regel in der Lage zu gehen gleich wieder schlafen,“ Panda sagt. „Aber wenn Sie hören, ein Geräusch von draußen und am Ende zu Fuß rund um Ihr Haus für eine halbe Stunde mit den Lichtern auf, es ist viel schwieriger. Wird es genug Licht signal das erreichen des master-clock-Neuronen im Gehirn, die letztlich wacht der rest des Gehirns.“

Panda sagt, dass die neue Technik wird nützlich sein für die Untersuchung anderer neuronaler verbindungen, wie die Forscher können im wesentlichen verwenden die gleichen Viren-express-mini-SOGs in jedem neuron und Fragen, wie unterschiedliche Neuronen stellen verbindungen zu verschiedenen Anhängseln.