Agyi aktivitás mérése biolumineszcens módszerrel
A Ca2+ BioLuminescence Activity Monitor (CaBLAM) nevű eszköz képes egyetlen neuron aktivitását, sőt annak sejtrészleteit is folyamatosan rögzíteni, akár öt órán keresztül, ami új lehetőségeket nyit a komplex viselkedés és a tanulási folyamatok vizsgálatában.
A Nature Methods folyóiratban december 2-án jelent meg a Providence (Rhode Island, USA) székhelyű Brown University kutatóinak cikke, amelyben legújabb fejlesztésüket, a Ca2+ BioLuminescence Activity Monitor, röviden CaBLAM nevű eszközt mutatták be. Ez a molekuláris szenzor nagy sebességgel képes egyedi sejtek és sejtrészletek aktivitását rögzíteni, hosszú idejű felvételeket készíthet egerek és zebradániók agyában, ráadásul külső fényforrás nélkül, a biolumineszcencia elvén működik.
Tíz évvel ezelőtt egy kutatócsoport merész és újszerű ötlettel állt elő: a biolumineszcencia fényét kívánták felhasználni az agyi aktivitás vizualizálására. Christopher Moore, a Brown Egyetem agykutató professzora így fogalmazta meg a kiindulópontot: “Arra gondoltunk, mi lenne, ha belülről világíthatnánk meg az agyat?”
Az idegtudományban a fény alkalmazása régóta bevett módszer, elsősorban fluoreszcencia révén, amely alkalmas a sejtek aktivitásának mérésére vagy irányítására. A lézeres megvilágítás azonban számos hátránnyal jár: bonyolult eszközparkot igényel, invazívabb megközelítést tesz szükségessé, és gyakran alacsonyabb sikerességi arányt eredményez. A kutatók ezért a biolumineszcencia alkalmazásának lehetőségét kezdték vizsgálni. A Brown Egyetem Carney Institute for Brain Science intézményében 2017-ben kezdte meg működését a Bioluminescence Hub, melynek célja olyan idegtudományi eszközök kidolgozása volt, amelyek révén az idegrendszeri sejtek képesek fényt kibocsátani és arra reagálni.
Az agysejtek folyamatos aktivitásának mérése alapvető fontosságú az élő szervezetek működésének megértésében. A jelenleg legelterjedtebben használt módszer fluoreszcencia-alapú: genetikailag kódolt kalciumion-indikátorok alkalmazásán alapul. A fluoreszcencia lényege, hogy külső fényforrással megvilágítva a vizsgált struktúra más hullámhosszú fényt bocsát ki, amely kalciumérzékeny fehérjék révén a jel intenzitásában vagy színében változik. Bár ez a módszer számos helyzetben hasznos, komoly korlátokkal bír, így például a tartós, erős megvilágítás sejtkárosodást okozhat, a fluoreszcens molekulák szerkezeti átalakulása fotobleachinghez vezethet, amely időben korlátozza a mérési lehetőségeket, és a szükséges optikai eszközök alkalmazása invazív beavatkozást igényel.
A biolumineszcencia ezzel szemben enzimatikus reakció révén keletkezik, amely során egy kis molekula lebomlása fénykibocsátással jár. Ez a folyamat nem igényel külső fényt, így nincs fotobleaching, nem okoz fototoxikus hatást, és biztonságosabb az agyszövet számára. További előnye, hogy a jel tisztábban látható. A fluoreszcens megvilágítás ugyanis háttérzajt generál, mivel az agyszövet önmagában is gyenge fényt bocsát ki, ráadásul a szövet a fényt szórja, ami elmosódott képet eredményez. A biolumineszcens fény ezzel szemben sötét háttérben jelenik meg, így az átalakított neuronok saját fényforrásként viselkednek, és a kibocsátott jel könnyebben érzékelhető.
Az agyi aktivitás biolumineszcens mérésének gondolata régóta ismert, de eddig nem sikerült kellően erős fénykibocsátást elérni a részletes képalkotáshoz. A CaBLAM viszont áttörést jelent ezen a téren: a kutatók kimutatták, hogy az eszköz képes egyetlen neuron aktivitását, sőt annak sejtrészleteit is folyamatosan rögzíteni, akár öt órán keresztül, ami fluoreszcens módszerekkel nem volna lehetséges. Ez új lehetőségeket nyit a komplex viselkedés és tanulási folyamatok vizsgálatában, ráadásul a mostani módszereknél kevesebb műszaki eszközt igényel.
A Bioluminescence Hub munkája egy szélesebb program része, amely az agyi aktivitás megfigyelésének és irányításának új módszereit kívánja létrehozni. Az egyik projekt például olyan sejteket fejleszt, amelyek fényimpulzust küldenek a szomszédos sejteknek, így a neuronok fény révén kommunikálhatnak egymással. Más kutatások kalcium felhasználásával próbálják szabályozni a sejtek működését. Ezek az elképzelések mind erősebb és megbízhatóbb kalciumérzékelők kifejlesztését igénylik, amely a központ egyik fő célkitűzésévé vált.
Moore szerint a CaBLAM alkalmazási lehetőségei túlmutatnak az agykutatáson, és a jövőben a test más területein is hasznosíthatók lehetnek, valamint új perspektívát nyitnak az idegrendszer és a szervezet működésének egyidejű vizsgálatára.
Írásunk az alábbi közlemények alapján készült:
Bioluminescent tool captures neural activity without external lasers
Irodalmi hivatkozás:
Gerard G. Lambert et al, CaBLAM: a high-contrast bioluminescent Ca2+ indicator derived from an engineered Oplophorus gracilirostris luciferase, Nature Methods (2025). DOI: 10.1038/s41592-025-02972-0
