الخلايا الدماغية تتوهّج في الظلام بفضل جهاز استشعار

ابتكر العلماء تقنية جديدة ومطوّرة لتعقب التفاعلات داخل شبكات عصبية واسعة في الدماغ. قال كارل جونسون، وهو أستاذ في العلوم البيولوجية في جامعة «ستيفنسون» ورئيس فريق البحث: «خلال فترة طويلة، اتكل علماء الأعصاب على التقنيات الكهربائية لتسجيل نشاط الخلايا العصبية. إنها طريقة ممتازة لمراقبة الخلايا العصبية الفردية لكنها تقتصر على عدد صغير من الخلايا. تستعمل الموجة الجديدة تقنيات بصرية لتسجيل نشاط مئات الخلايا العصبية في الوقت نفسه. يستخدم معظم التجارب في مجال التسجيل البصري الإضاءة الفلورية، وتتطلّب هذه العملية ضوءاً خارجياً قوياً لكنه قد يسخّن النسيج ويؤثر في بعض العمليات البيولوجية، لا سيما تلك الحساسة تجاه الضوء».

استناداً إلى بحث عن الإضاءة الحيوية داخل «كائن صغير من نوع طحلب كلاميدوموناس الأخضر الذي لا يهتم به أحد»، أدرك جونسون وزملاؤه أنهم إذا جمعوا الإضاءة الحيوية مع علم البصريات الوراثي (تقنية بيولوجية جديدة تستعمل الضوء للسيطرة على الخلايا العصبية في النسيج الحي)، سيتمكنون من ابتكار أداة جديدة وقوية لدراسة نشاط الدماغ.

أوضح جونسون: «ثمة صراع كامن بين التقنيات الفلورية وعلم البصريات الوراثي. يؤثر الضوء المطلوب لإنتاج الأشعة الفلورية في الضوء المطلوب للسيطرة على الخلايا. في المقابل، تعمل الإضاءة الحيوية في الظلام».

تعديل وراثي

قام جونسون ومساعدوه بتعديل وراثي لشكلٍ من أنزيم اللوسيفيراز الذي يشتق من نوع روبيان متوهج كي يُضاء عند تعريضه لأيونات الكالسيوم، ثم سحبوا فيروساً يصيب الخلايا العصبية وربطوه بجزيئتهم لدسّ أجهزة الاستشعار داخل الخلية.

رصد الباحثون أيونات الكالسيوم لأنها ترتبط بنشاط الخلايا العصبية. صحيح أن مستويات الكالسيوم تكون مرتفعة في المنطقة المحيطة، لكنها تبقى متدنية جداً داخل الخلايا العصبية. مع ذلك قد يرتفع مستوى الكالسيوم الداخلي لفترة وجيزة حين تتلقى الخلية العصبية نبضاً من الخلايا المجاورة.

اختبر الباحثون جهازاً جديداً لاستشعار الكالسيوم عبر مسبار بصري وراثي يجعل قنوات أيونات الكالسيوم في الغشاء الخارجي للخلية العصبية تنفتح، ما يؤدي إلى تدفق الكالسيوم في الخلية. ومن خلال استعمال الخلايا العصبية المزروعة، اكتشفوا أن الأنزيم المتوهج يتفاعل بكل وضوح مع الكالسيوم الذي يتدفق عند تحفيز المسبار بنبضات قصيرة من الضوء المرئي.

لتحديد مستوى أداء جهاز الاستشعار مع أعداد إضافية من الخلايا العصبية، دسّ الباحثون الجهاز في شرائح دماغية مأخوذة من منطقة الحصين لدى الفئران حيث تنتشر آلاف الخلايا العصبية، ثم أغرقوا الشرائح بكمية متزايدة من أيونات البوتاسيوم، ما جعل قنوات الأيونات في الخلايا تنفتح، فلاحظوا مجدداً أن جهاز الاستشعار يتفاعل مع تغيّر كميات الكالسيوم عبر حركات التوهّج والتعتيم.

قال جونسون: «أثبتنا فاعلية هذه المقاربة ويجب أن نحدد الآن مدى دقّتها. يشير بعض الأدلة إلى أنها دقيقة بما يكفي لرصد نشاط الخلايا العصبية الفردية ولكن لا بد من إجراء اختبارات إضافية للتأكد من أنها تتمتع بهذه القدرة فعلاً».