07:00 
Десять лет назад группе ученых пришла в голову буквально блестящая идея использовать биолюминесцентный свет для визуализации мозговой активности.
"Мы начали думать: а что, если бы мы могли осветить мозг изнутри?" - сказал Кристофер Мур, профессор наук о мозге в Университете Брауна. "Свет, воздействующий на мозг, используется для измерения активности - обычно посредством процесса, называемого флуоресценцией, - или для управления активностью клеток, чтобы проверить, какую роль они играют. Но воздействие лазеров на мозг имеет свои недостатки, когда дело доходит до экспериментов, часто требующих сложного оборудования и более низкого уровня успеха. Мы решили, что вместо этого можем использовать биолюминесценцию".
Благодаря крупному гранту Национального научного фонда в Институте наук о мозге Брауна Карни запущен Центр биолюминесценции. 2017 на основе сотрудничества Мура (заместителя директора Института Карни), Дайан Липскомб (директора института), Уте Хохгешвендер (из Университета Центрального Мичигана) и Натана Шейнера (из Калифорнийского университета в Сан-Диего).
Целью ученых была разработка и распространение инструментов нейробиологии, основанных на придании клеткам нервной системы способности создавать свет и реагировать на него.
В В исследовании, опубликованном в журнале Nature Methods, команда описала недавно разработанный ею инструмент биолюминесценции. Названный монитором биолюминесцентной активности Ca2+, или сокращенно CaBLAM, этот инструмент фиксирует активность отдельных клеток и субклеток на высоких скоростях и хорошо работает на мышах и рыбках данио, позволяя вести многочасовые записи и устраняя необходимость во внешнем освещении.
Мор рассказал, что Шэнер, доцент кафедры нейробиологии и фармакологии в Калифорнийском университете. Сан-Диего возглавил разработку молекулярного устройства, которое стало CaBLAM: «CaBLAM — это действительно удивительная молекула, которую создал Натан», — сказал Мур. «Он оправдывает свое название».
Измерение текущей активности живых клеток мозга имеет важное значение для понимания функций биологических организмов, сказал Мур. Самый распространенный современный подход использует визуализацию с помощью индикаторов ионов кальция, генетически закодированных на основе флуоресценции.
"Флуоресценция работает так, что вы направляете на что-то световые лучи и получаете обратно световые лучи другой длины волны", - сказал Мур, возглавляющий Центр биолюминесценции. «Вы можете сделать этот процесс чувствительным к кальцию, чтобы получить белки, которые будут отражать различное количество или другой цвет света, в зависимости от того, присутствует ли кальций или нет, с ярким сигналом».
Хотя флуоресцентные зонды полезны во многих контекстах, говорит он, существуют существенные ограничения на их использование для мониторинга активности мозга. Во-первых, бомбардировка мозга большим количеством внешнего света в течение длительного времени может повредить клетки. Во-вторых, освещение высокой интенсивности может привести к тому, что молекула, участвующая в флуоресценции, изменит свою структуру так, что она больше не сможет излучать достаточно света — это называется фотообесцвечиванием, и оно ограничивает время использования флуоресценции. Наконец, для освещения мозга мозгом используются аппаратные средства, такие как лазеры и волокна, которые требуют более инвазивного подхода.
Напротив, производство биолюминесцентного света, при котором свет образуется, когда фермент расщепляет определенную небольшую молекулу, имеет ряд преимуществ. Поскольку биолюминесцентные зонды не используют яркий внешний свет, нет риска фотообесцвечивания, а также они не обладают фототоксическим эффектом, поэтому они более безопасны для здоровья мозга.
Свет также облегчает видимость.
«Ткани мозга уже сами по себе слабо светятся при воздействии внешнего света, создавая фоновый шум», — сказал Шейнер. «Кроме того, ткань мозга рассеивает свет, размывая как входящий свет, так и выходящий сигнал. Это делает изображения более тусклыми, нечеткими и труднее увидеть глубоко внутри мозга.
Идея измерения активности мозга с помощью биолюминесценции существовала уже несколько десятилетий, говорит Мур, но до сих пор никто не придумал, как сделать биолюминесцентный свет достаточно ярким, чтобы можно было детально визуализировать активность клеток мозга.
Идея, которая положила начало CaBLAM
"Настоящая статья интересна по многим причинам", - сказал Мур. "Эти новые молекулы впервые предоставили возможность видеть активацию отдельных клеток независимо друг от друга, почти так же, как если бы вы использовали особую чувствительную кинокамеру для записи активности мозга в то время, когда она происходит".
Новый инструмент может фиксировать поведение одного нейрона в живом лабораторном животном, вплоть до активности внутри отдельных ячеек клеток.
