Badania neuronów - nowe metody poznania działania ludzkiego mózgu

Rozmowa ze studentką Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych PW Anną Katarzyną Dębowską – laureatką programu „Diamentowy Grant” 2014

WEiTI: Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego uhonorowało Panią za projekt pt. „Podłoża do hodowli neuronalnych z monitorowaniem stanu hodowli przez czujniki światłowodowe”. Co zainspirowało Panią do podjęcia tej tematyki?

Anna Dębowska: Obecnie na całym świecie obserwuje się rosnące zainteresowanie badaniem działania ludzkiego mózgu. Realizowane w Europie projekty Blue Brain oraz Human Brain, a także amerykański BRAIN Initiative gromadzą naukowców, których wspólnym celem jest zrozumienie istoty funkcjonowania mózgu. Zagadnienie to jest podejmowane na wiele różnych sposobów, między innymi poprzez analizę sygnałów EEG i MEG, komputerowe modelowanie neuronów i ich grup oraz hodowle komórkowe. W przypadku hodowli komórkowych przedmiotem badań są podstawowe jednostki funkcjonalne mózgu, neurony, które tworząc sieci stanowią bazę dla przetwarzania informacji, przechowywania wspomnień oraz są źródłem świadomości.

Dane zebrane podczas obserwacji hodowanych komórek, ich reakcji na dostarczane z zewnątrz pobudzenie oraz wzajemnej komunikacji są niezbędne do podjęcia dalszych badań prowadzonych na wyższych stopniach złożoności. Do monitorowania zachowań neuronów służą płytki z nadrukowanymi macierzami mikroelektrod planarnych (ang. planar MicroElectrode Arrays, pMEAs). Mikroelektrody wykrywają lokalne zmiany potencjału elektrycznego wywołane ruchami jonów przez kanały białkowe znajdujące się w błonie komórkowej. Z tego powodu źródłami rejestrowanych sygnałów są przedziały komórek neuronalnych o największym zagęszczeniu kanałów jonowych, takie jak podstawa aksonu.

pMEAs zostały zaproponowane do rejestrowania tych zmian na początku lat 70. XX wieku, a pierwsze rezultaty uzyskano w roku 1979 i od tamtej pory technologia ta jest nieustannie rozwijana i modyfikowana. Rok 1989 przyniósł przełom, gdy udało się wykonać elektrody doprowadzające do komórek sygnały stymulujące umożliwiające ścisłą kontrolę nad doprowadzanym pobudzeniem. Od tego czasu monitorowanie odpowiedzi sieci neuronów na bodziec stymulujący stało się istotnym narzędziem w badaniach podstawowych oraz farmakologicznych.

Jednak nowe możliwości niosą za sobą poważne ograniczenie: budowa i zasada działania elektrod nie pozwalają na jednoczesne dostarczanie bodźca i zapis potencjału czynnościowego komórek. Dzieje się tak, ponieważ bodziec z elektrody pobudzającej jest co najmniej o rząd wielkości większy od sygnałów pochodzących z neuronów, a także powoduje powstawanie artefaktów w odczytach pozostałych elektrod.

Obecnie do śledzenia zmian rozkładów napięcia w komórkach stosuje się barwniki i białka fluorescencyjne czułe na zmiany napięcia czy chromofory. Wszystkie z wymienionych metod są metodami obrazowania, a do rejestracji używa się mikroskopów oraz optycznej tomografii koherencyjnej (ang. Optical Coherence Tomography, OCT). Nie dostarczają one zatem sygnału, który może być rejestrowany w czasie rzeczywistym i jednocześnie łatwego do analizy.

WEiTI: Na czym polega istota Pani projektu?

AD: Punktem wyjścia prowadzonych badań jest fakt, że potencjał czynnościowy przesuwający się wzdłuż komórki nerwowej wywołuje lokalne zmiany własności optycznych. Jednym z parametrów ulegających zmianie jest współczynnik załamania światła. Istnieje wiele struktur czułych na zmiany współczynnika załamania światła, należą do nich między innymi długookresowe siatki światłowodowe (ang. Long Period Grating, LPG) oraz czoła światłowodów, na które nałożone zostały pokrycia, bądź inne światłowodowe struktury wielowarstwowe.

Zaletą czujników światłowodowych jest ich odporność na zmiany i zakłócenia pola elektromagnetycznego. Połączenie światłowodowych struktur czujnikowych z pMEAs daje więc szersze możliwości niż podłoża stosowane obecnie. Elektrody stymulujące komórki neuronalne nie powodowałyby zakłóceń odczytów czujników optycznych rejestrujących zmiany współczynnika załamania światła komórek.

WEiTI: Na czym polega wyzwanie w tym projekcie?

AD: Wyzwaniem jest tu zminimalizowanie wymiarów części sensorycznej, aby zapewnić wysoką rozdzielczość obrazu hodowli. Jednocześnie ważne jest osiągnięcie jak najwyższej czułości w zakresie zmian współczynnika załamania światła wytwarzanych przez komórki oraz właściwe rozplanowanie przestrzenne struktur pobudzających oraz sensorycznych.

WEiTI: Co nauka zyska dzięki Pani badaniom?

AD: Wykonanie nowych podłóż do hodowli neuronalnych otwiera nowe możliwości do badań nad mózgiem. Ma to szczególne znaczenie teraz, kiedy badania te wchodzą w etap dynamicznego rozwoju. Co ważne, realizacja tego projektu włącza Politechnikę Warszawską w światowy nurt nauronauk. Innowacyjność projektu doceniło, jak już wspomniano, Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego finansując go w ramach projektu Diamentowy Grant.

Dziękujemy za rozmowę i życzymy dalszych sukcesów!

Niebawem na naszej stronie udostępnimy film na temat projektów, prowadzonych przez Członków Koła Naukowego Mikroelektroniki i Nanoelektroniki, któremu przewodniczy Pani Anna Dębowska. 

Wszystkim pasjonatom zgłębiania tajemnic działania ludzkiego mózgu, przypominamy o projekcie HUMAN BRAIN PROJECT, którym kieruje pracownik naszego Wydziału Prof. nzw. dr hab. inż. Piotr Bogorodzki. Projekt ten wygrał konkurs Komisji Europejskiej w ramach programu „Nowe Technologie i Technologie Przyszłości” (Future and Emerging Technologies - FET).

Celem prowadzonych badań nad mózgiem "Human Brain Project" jest połączenie wysiłków europejskich naukowców na rzecz jednego z największych wyzwań współczesnej nauki - zrozumienia ludzkiego mózgu.

W projekcie wykorzystywane są nowoczesne technologie informatyczne do tworzenia modeli scalających wiedzę z różnych dziedzin nauki na temat działania i struktury mózgu człowieka.

Naukowcy pod kierownictwem prof. Piotra Bogorodzkiego pracują nad stworzeniem bazy zawierającej dane obrazowe, genetyczne, kliniczne oraz behawioralne. Baza ta, zawierająca wiedzę z wielu dziedzin, ułatwi zrozumienie procesów biologicznych zachodzących w mózgu zdrowych i chorych osób.