Bu görüntü, fare bir tekerlek üzerinde çalışırken bir laboratuvar faresinin kortikal nöronlarını gösterir. Büyük, koyu tüp benzeri yapılar kan damarlarıdır. Kredi: Brown'un Carney Beyin Bilimi Enstitüsü'nde bulunan Biyolüminesans Merkezi için Jeremy Murphy
Bilim adamları beyin hücrelerini minik ışık kaynaklarına dönüştürdüler ve beyni daha önce hiç olmadığı gibi iş yerinde ortaya çıkardılar.
Yaklaşık on yıl önce, bilim adamları beyni incelemek için alışılmadık bir fikri keşfetmeye başladılar: nöral aktiviteyi görünür kılmak için biyolüminesan ışığı kullanmak. Dışarıdan gelen beyne ışık parlatmak yerine, nöronların kendi başlarına parlamak için tasarlanıp tasarlanmadığını merak ettiler.
“Ya beyni içeriden aydınlatabilirsek?” diye düşünmeye başladık. Brown Üniversitesi'nde beyin bilimi profesörü olan Christopher Moore. “Beyne ışık parlatmak, aktiviteyi ölçmek için kullanılır – genellikle floresan adı verilen bir işlemle – veya hangi rolü oynadıklarını test etmek için hücrelerdeki aktiviteyi yönlendirmek için kullanılır. Ancak beyinde lazerlerin vurulması, deneyler söz konusu olduğunda, genellikle süslü donanım ve daha düşük bir başarı oranı gerektirdiğinde yanlara sahiptir. Bunun yerine biyolüminesansı kullanabileceğimizi düşündük.”
Biyolüminesans Merkezi'nin başlatılması
Bu fikir, 2017’de resmi olarak piyasaya sürülen Brown’s Carney Beyin Bilimi Enstitüsü’nde Biyolüminesans Merkezi’nin oluşturulmasına yardımcı oldu. Çaba, Ulusal Bilim Vakfı'nın büyük bir hibesi ile desteklendi ve Moore (Carney Enstitüsü'nün yardımcı direktörü), Diane Lipscombe (endüstrinin direktörü), Ute Hochgeschwender (Mari Michigan Üniversitesi'nde) ve Nathan Shaner (Kaliforniya Üniversitesi, San Diego'da) arasındaki işbirlikleri üzerine inşa edildi.
Grup, sinir sistemi hücrelerinin ışık üretmesini ve ona yanıt vermesini sağlayarak yeni nörobilim araçlarını tasarlamak ve paylaşmak için yola çıktı.
Bu video, laboratuvarda kendini aydınlatmak için tasarlanmış HeLa hücrelerini yakalar.
Yeni bir biyolüminesan beyin aracı olan CaBLAM'ı tanıtmak
Nature Methods’da yayınlanan bir çalışmada, araştırmacılar yakın zamanda oluşturdukları bir biyolüminesan görüntüleme sistemini tanımladılar. Ca2 + BioLuminescence Aktivite Monitörü (veya kısaca “CaBLAM” olarak bilinen araç, bireysel hücreler ve hatta daha küçük hücresel yapılar düzeyinde aktivite yakalama yeteneğine sahiptir. Farelerde ve zebra balıklarında iyi performans gösterir, birkaç saat süren kayıtları destekler ve dış aydınlatma ihtiyacını ortadan kaldırır.
Moore, U.C.'de nörobilim ve farmakoloji doçenti olan Shaner'ın. San Diego, CaBLAM'ı mümkün kılan moleküler cihazın geliştirilmesine öncülük etti. “CaBLAM, Nathan’ın yarattığı gerçekten şaşırtıcı bir molekül,” dedi Moore. “Onun adına kadar yaşıyor.”
Beyin Hücresi Aktivitesini Takip Etmek Neden Önemlidir
Moore, canlı beyin hücrelerinin zaman içinde nasıl davrandığını anlamak, biyolojik sistemlerin nasıl işlediğini incelemek için gereklidir. Günümüzde çoğu araştırmacı, floresan bazlı genetik olarak kodlanmış kalsiyum iyonu göstergelerini kullanan görüntüleme yöntemlerine güvenmektedir.
“Froorescence’ın çalışma biçiminde, ışık ışınlarını bir şeye parlarsınız ve farklı bir ışık ışını geri alırsınız” diyor Bioluminescence Hub’ı yöneten Moore. “Bu işlemi kalsiyuma duyarlı hale getirebilirsiniz, böylece kalsiyumun mevcut olup olmadığına bağlı olarak, parlak bir sinyalle farklı bir miktar veya farklı ışık rengine geri kayan proteinler alabilirsiniz.”
Floresan Beyin Görüntülemesinin Çekmeceleri
Floresan problar yaygın olarak kullanılmasına rağmen, Moore beyin araştırmalarına uygulandığında ciddi sınırlamalarla geldiklerini söyledi. Yoğun dış ışığa uzun süre maruz kalmak hücrelere zarar verebilir. Yüksek güçlü aydınlatma, floresan moleküllerini de değiştirebilir, böylece deneysellerin ne kadar sürebileceğini kısıtlayan fotobuzlaştırıcı olarak bilinen bir işlem olan yeterli ışık yayarlar. Buna ek olarak, ışığa ışık vermek tipik olarak lazerler ve fiber optikler gibi invaziv ekipmanlar gerektirir.
Biyolüminesans Neden Daha Iyi Çalışır
Biyolüminesan görüntüleme bu sorunların birçoğundan kaçınır. Bu yaklaşımda, bir enzim belirli bir küçük molekülü parçaladığında iç kaynaklı ışık üretilir. Parlak dış ışık gerekmediğinden, fotobulaşlanma ve fotoktoksik etkisi yoktur, bu da yöntemi beyin dokusu için daha güvenli hale getirir.
Ayrıca görünürlüğü de geliştirir.
Shaner, “Bread dokusu, dış ışık tarafından vurulduğunda, arka plan gürültüsü yarattığında zaten kendi başına hafifçe parlıyor” dedi. “Bunun üzerine, beyin dokusu ışık saçıyor, hem ışığın içeri girip gelen sinyali de bulanıklaştırıyor. Bu, görüntülerin beynin derinliklerinde daha sönük, bulanık ve daha zor hale getirir. Beyin doğal olarak biyolüminesans üretmez, bu nedenle mühendislik nöronları kendi başlarına parladığında, neredeyse hiç parazit olmayan karanlık bir arka plana karşı öne çıkarlar. Ve biyolüminesans ile beyin hücreleri kendi farları gibi davranır: Sadece ışığın ortaya çıkmasını izlemelisiniz, bu da dokudan dağıldığında bile görülmesi çok daha kolay. ”
Moore, araştırmacıların onlarca yıldır beyin aktivitesini incelemek için biyolüminesans kullanmayı tartışırken, önceki girişimlerin ayrıntılı görüntüleme için yeterince parlak ışık üretemediğini belirtti. Bu sınırlama artık aşıldı.
CaBLAM'ın Arkasındaki Atılım
Moore, “Mevcut makale birçok nedenden dolayı heyecan verici” dedi. “Bu yeni moleküller, ilk kez, tek hücrelerin bağımsız olarak aktive edildiğini görme yeteneğini sağladı, neredeyse olurken beyin aktivitesini kaydetmek için çok özel, hassas bir film kamerası kullanıyormuşsunuz gibi.”
CABLAM kullanarak, bilim adamları, tek bir hücrenin farklı bölgelerindeki aktivite de dahil olmak üzere, canlı laboratuvar hayvanlarındaki bireysel nöronların davranışlarını izleyebilirler. Çalışmada, ekip, geleneksel floresan bazlı tekniklerle mümkün olmayacak bir şey olan beş saat boyunca sürekli olarak çalışan bir kayıt oturumundan sonuçlar sundu.
Moore, “Karmaşık davranışları veya öğrenmeyi incelemek için, biyolüminesans, daha az donanımla tüm süreci yakalamaya izin verir” dedi.
Beyin Araştırmalarının Olanaklarının Genişletilmesi
CaBLAM projesi, biyolüminesans Merkezi'nde beyin aktivitesini gözlemlemek ve etkilemek için yeni yollar geliştirmek için daha büyük bir çabanın parçasıdır. Devam eden bir proje, yakındaki bir hücre tarafından tespit edilebilen bir ışık parlaması yamak için canlı bir hücre kullanır ve nöronların ışığın kendisini kullanarak iletişim kurmasına izin verir (Moore'un dediği şey, “beyni ışıkla yeniden kablolamak”). Ekip ayrıca hücresel davranışı kontrol etmek için kalsiyum kullanan yöntemler üzerinde çalışıyor.
Bu projeler ilerledikçe, araştırmacılar hepsi için daha parlak ve daha etkili kalsiyum sensörlerinin gerekli olduğunu fark ettiler. Moore, bu sensörleri geliştirmek o zamandan beri merkezi bir odak haline geldi.
Moore, “Alını ileriye itmeye çalışan bir merkez olarak, gerekli bileşen parçalarını yarattığımızdan emin olduk” dedi.
Beynin Ötesinde
Moore, CaBLAM'ın sonunda sadece beynin değil, vücudun diğer bölgelerindeki aktiviteyi incelemek için kullanılabileceğine inanıyor.
“Bu ilerleme, beynin ve vücudun nasıl çalıştığını görmek için yepyeni bir seçenek yelpazesine izin veriyor” diyen Moore, “vücudun birden fazla yerindeki aktiviteyi bir kerede takip etmek de dahil olmak üzere.”
Projenin işbirlikçi bilimin gücünü vurguladığını da sözlerine ekledi. En az 34 araştırmacı, Brown Üniversitesi, Central Michigan Üniversitesi, U.C. gibi Bioluminescence Hub ortaklarını temsil eden çalışmaya katkıda bulundu. San Diego, Kaliforniya Üniversitesi, Los Angeles ve New York Üniversitesi.
Referans: Gerard G tarafından “CaBLAM: tasarlanmış bir Oplophohorus grac diraklostris luciferazdan türetilen yüksek kontrastlı bir biyolüminesanslı Ca 2+ göstergesi” Gerard G. Lambert, Emmanuel L. Crespo, Jeremy Murphy, Kevin L. Turner, Emily Gershowitz, Michaela Cunningham, Daniela Boassa, Selena Luong, Dmitrijs Celinskis, Justine J. Allen, Stephanie Venn, Yunlu Zhu, Mürsel Karadas, Jiakun Chen, Roberta Marisca, Hannah Gelnaw, Daniel K. Nguyen, Junru Hu, Brittany N. Sprecher, Maya O. Ağaç, Richard Orcutt, Daniel Heydari, Aidan B. Bell, Albertina Torreblanca-Zanca, Ali Hakimi, Tim Czopka, Shy Shoham, Katherine I. Nagel, David Schoppik, Arturo Andrade, Diane Lipscombe, Christopher I. Moore, Ute Hochgeschwender ve Nathan C. Shaner, 2 Aralık 2025, Doğa Yöntemleri. DOI: 10.1038/s41592-0029-02972-0
Finansmanlar tarafından sağlandı Ulusal Sağlık Enstitüleri, Ulusal Bilim Vakfı ve Paul G. Allen Aile Vakfı.
