Cảm biến MRI cho phép nhìn sâu hơn vào não
Canxi là một phân tử tín hiệu quan trọng đối với hầu hết các tế bào và nó đặc biệt quan trọng trong các tế bào thần kinh. Hình ảnh canxi trong các tế bào não có thể tiết lộ cách các nơ-ron giao tiếp với nhau, tuy nhiên các kỹ thuật hình ảnh hiện tại chỉ có thể thâm nhập vài mm vào não.
Các nhà nghiên cứu của MIT hiện đã nghĩ ra một cách mới để hình ảnh hoạt động của canxi dựa trên hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) và cho phép chúng nhìn sâu hơn vào não. Sử dụng kỹ thuật này, họ có thể theo dõi các tín hiệu bên trong tế bào thần kinh của động vật sống, cho phép chúng liên kết hoạt động thần kinh với các hành vi cụ thể.
"Bài báo này mô tả phát hiện tín hiệu canxi nội bào dựa trên MRI đầu tiên, tương tự trực tiếp với các phương pháp quang học mạnh mẽ được sử dụng rộng rãi trong khoa học thần kinh nhưng giờ đây các phép đo như vậy được thực hiện trên cơ thể trong mô sâu", Alan Jasanoff, Giáo sư MIT của kỹ thuật sinh học, khoa học não và nhận thức, khoa học và kỹ thuật hạt nhân, và là thành viên liên kết của Viện nghiên cứu não McG của MIT.
Đi vào các tế bào
Ở trạng thái nghỉ ngơi, tế bào thần kinh có mức canxi rất thấp. Tuy nhiên, khi chúng bắn một xung điện, canxi sẽ tràn vào tế bào. Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học đã nghĩ ra cách để hình ảnh hoạt động này bằng cách đánh dấu canxi bằng các phân tử huỳnh quang. Điều này có thể được thực hiện trên các tế bào phát triển trong đĩa thí nghiệm hoặc trong não của động vật sống, nhưng loại hình ảnh kính hiển vi này chỉ có thể xâm nhập một phần mười milimet vào mô, hạn chế hầu hết các nghiên cứu trên bề mặt não.
"Có những điều tuyệt vời đang được thực hiện với các công cụ này, nhưng chúng tôi muốn thứ gì đó cho phép nhìn sâu hơn vào tín hiệu ở cấp độ tế bào", Jasanoff nói.
Để đạt được điều đó, nhóm MIT đã chuyển sang MRI, một kỹ thuật không xâm lấn hoạt động bằng cách phát hiện các tương tác từ tính giữa một chất tương phản được tiêm và các phân tử nước bên trong các tế bào.
Để tạo ra các cảm biến canxi nội bào mới của họ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các khối xây dựng có thể đi qua màng tế bào. Chất tương phản có chứa mangan, một kim loại tương tác yếu với từ trường, liên kết với một hợp chất hữu cơ có thể xuyên qua màng tế bào. Phức tạp này cũng chứa một nhánh gắn canxi gọi là chelator.
Khi ở trong tế bào, nếu nồng độ canxi thấp, chất thải canxi liên kết yếu với nguyên tử mangan, che chắn mangan khỏi phát hiện của MRI. Khi canxi chảy vào tế bào, chelator liên kết với canxi và giải phóng mangan, làm cho chất tương phản xuất hiện sáng hơn trong hình ảnh MRI.
"Khi tế bào thần kinh, hoặc các tế bào não khác gọi là glia, bị kích thích, chúng thường trải qua sự gia tăng hơn gấp 10 lần nồng độ canxi. Cảm biến của chúng tôi có thể phát hiện những thay đổi đó", Jasanoff nói.
Đo lường chính xác
Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra cảm biến đó trên chuột bằng cách tiêm nó vào một vùng nằm sâu trong não có liên quan đến việc lập kế hoạch di chuyển và học các hành vi mới. Sau đó, họ đã sử dụng các ion kali để kích thích hoạt động điện trong các tế bào thần kinh và có thể đo được phản ứng canxi trong các tế bào đó.
Jasanoff hy vọng sẽ sử dụng kỹ thuật này để xác định các cụm nơ-ron nhỏ có liên quan đến các hành vi hoặc hành động cụ thể. Bởi vì phương pháp này đo trực tiếp tín hiệu trong các tế bào, nó có thể cung cấp thông tin chính xác hơn nhiều về vị trí và thời gian hoạt động của tế bào thần kinh so với MRI chức năng truyền thống (fMRI), đo lưu lượng máu trong não.
"Điều này có thể hữu ích để tìm ra cách các cấu trúc khác nhau trong não phối hợp với nhau để xử lý các kích thích hoặc phối hợp hành vi", ông nói.
Ngoài ra, kỹ thuật này có thể được sử dụng để hình ảnh canxi vì nó thực hiện nhiều vai trò khác, như tạo điều kiện cho việc kích hoạt các tế bào miễn dịch. Hay một ngày nào đó cũng có thể được sử dụng để thực hiện chẩn đoán hình ảnh của não hoặc các cơ quan khác có chức năng dựa vào canxi, chẳng hạn như tim.