Wstęp: dlaczego potrzebujemy lepszego „oka” na mózg

[ZeroVector]

Nowa metoda obrazowania mózgu, znana jako „zap‑and‑freeze”, otwiera przed naukowcami dotąd niedostępne możliwości obserwowania procesów zachodzących w neuronach. Badanie mózgu to jedno z największych wyzwań współczesnej nauki, ponieważ miliardy neuronów komunikują się ze sobą za pomocą błyskawicznych sygnałów elektrycznych i chemicznych. Tradycyjne techniki obrazowania, takie jak rezonans magnetyczny czy mikroskopia, pozwalają na ogólny wgląd w strukturę i funkcje mózgu, jednak nie umożliwiają uchwycenia dynamicznych procesów synaptycznych z precyzją nanometrową i czasową rzędu milisekund.

Metoda zap‑and‑freeze została opracowana przez badaczy z Johns Hopkins Medicine i po raz pierwszy zastosowana na tkankach mózgowych myszy, a następnie także na ludzkiej tkance. Polega na stymulacji neuronów impulsem elektrycznym, który wywołuje aktywność komórek nerwowych, a następnie błyskawicznym zamrożeniu tkanki w ułamku sekundy po stymulacji. Dzięki temu proces komunikacji między neuronami zostaje „zamrożony w czasie”. Obserwacja za pomocą mikroskopii elektronowej pozwala uzyskać obrazy z nanometrową rozdzielczością, pokazujące fuzję pęcherzyków synaptycznych z błoną neuronu, uwolnienie neuroprzekaźników oraz ich późniejsze odzyskiwanie.

Dzięki tej metodzie naukowcy po raz pierwszy mogli zobaczyć w czasie rzeczywistym, jak pęcherzyki synaptyczne łączą się z błoną neuronu i uwalniają neuroprzekaźniki oraz jak błona neuronu odzyskuje pęcherzyki do ponownego użytku. Co więcej, procesy te zachodzą zarówno w tkance mysiej, jak i ludzkiej, co potwierdza, że obserwacje z modeli zwierzęcych mają realne odniesienie do ludzkiego mózgu. Zap‑and‑freeze pozwoliło również zidentyfikować rolę białka Dynamin1xA w ultrawczesnym recyklingu błony synaptycznej, a wcześniejsze badania wskazały, że nowe pęcherzyki są rekrutowane do puli gotowych do uwolnienia w ciągu kilkunastu milisekund po aktywacji neuronu. Dzięki temu powstał najdokładniejszy dotąd „film” z wnętrza synaps, ukazujący procesy na poziomie nanometrów i milisekund.

Znaczenie tej metody dla badań nad chorobami neurodegeneracyjnymi, takimi jak choroba Parkinsona, jest ogromne. Większość przypadków Parkinsona to formy sporadyczne, których przyczyny pozostają nieznane. Zap‑and‑freeze umożliwia obserwowanie subtelnych zaburzeń w komunikacji neuronalnej, zanim pojawią się zmiany widoczne w tradycyjnych badaniach obrazowych lub symptomy kliniczne. Może pozwolić naukowcom zidentyfikować problemy w uwalnianiu pęcherzyków synaptycznych, recyklingu błony lub funkcjonowaniu białek odpowiedzialnych za transmisję synaptyczną.

Odkrycia uzyskane dzięki tej metodzie mają również duże znaczenie dla tworzenia modeli chorób i testowania potencjalnych terapii. Pokazanie, że mechanizmy obserwowane w myszach są obecne także u ludzi, daje naukowcom pewność, że badania na zwierzętach mogą rzeczywiście odzwierciedlać kluczowe procesy biologiczne i przewidywać skutki terapii u pacjentów. W przyszłości zap‑and‑freeze może być używana do badania wycinków tkanki od osób z chorobami neurodegeneracyjnymi, co może przyspieszyć rozwój leków i terapii neuroprotekcyjnych.

Oczywiście metoda ta ma swoje ograniczenia. Wymaga dostępu do żywej tkanki mózgowej, co ogranicza skalę badań, i nie zastępuje technik obrazowania całościowego mózgu, takich jak rezonans magnetyczny czy mikroskopia optyczna. Pozwala jednak na obserwację ultrastrukturalną i dynamiczną na poziomie synaps, co jest nieocenione w zrozumieniu podstawowych mechanizmów komunikacji neuronalnej.

Zap‑and‑freeze daje naukowcom „nowe oko” na mózg. Umożliwia obserwowanie najdrobniejszych procesów w synapsach, które decydują o sprawnym przekazywaniu sygnałów między neuronami. Dzięki temu otwiera drogę do lepszego zrozumienia chorób neurodegeneracyjnych i może przyczynić się do opracowania terapii, które naprawiają problemy na poziomie komórkowym, zanim staną się widoczne w tradycyjnych badaniach. To krok w kierunku przyszłości, w której mikroskopijne błyski w synapsach staną się źródłem nadziei dla milionów pacjentów.