A red-emitting, genetically encoded indicator for two-photon voltage recording in vivo

Stellen Sie sich das Gehirn als eine geschäftige Stadt vor, in der Milliarden winziger Boten (Neuronen) kommunizieren, indem sie schnelle elektrische Funken aussenden. Um zu verstehen, wie diese Stadt funktioniert, müssen Wissenschaftler einen Weg finden, um auf diese Funken zu „hören“, ohne die Mauern der Stadt zu beschädigen.

Lange Zeit verfügten Wissenschaftler über ein spezielles Werkzeug namens GEVI (Genetically Encoded Voltage Indicator – genetisch kodierter Spannungsindikator). Betrachten Sie dies als eine winzige, unsichtbare Sicherheitskamera, die Wissenschaftler in spezifische Arten von Neuronen programmieren können. Wenn ein Neuron einen elektrischen Funken aussendet, blinkt diese Kamera auf und ermöglicht es den Wissenschaftern, die Aktivität in Echtzeit zu sehen.

Es gab jedoch ein großes Problem mit den bestehenden Kameras:

• Das Farbproblem: Die meisten dieser Kameras blitzten in blauem oder grünem Licht auf. Aber um tief in das Gehirn zu blicken (wie in das Kellergeschoss eines Wolkenkratzers zu schauen), müssen Wissenschaftler eine spezielle „Taschenlampe“ namens Zwei-Photonen-Anregung verwenden. Blaues und grünes Licht werden vom Gewebe des Gehirns blockiert, so als würde man versuchen, durch einen dichten Nebel mit einer schwachen Taschenlampe zu sehen.
• Die rote Lücke: Wissenschaftler brauchten eine Kamera, die rot leuchtet. Rotes Licht ist wie ein leistungsstarker Laser, der durch den Nebel schneiden und tief in das Gehirn vordringen kann. Zudem verträgt sich rotes Licht gut mit anderen Werkzeugen (wie blaulichtgesteuerten Schaltern zur Kontrolle von Neuronen), sodass Wissenschaftler mehrere Werkzeuge gleichzeitig nutzen können, ohne dass diese sich gegenseitig stören.

Das Problem: Bis jetzt waren die existierenden roten Kameras zu schwach oder zu langsam, um gut mit dieser Tiefengewebe-„Zwei-Photonen“-Taschenlampe zu funktionieren. Sie waren wie der Versuch, ein klares Foto eines schnell fahrenden Autos im Dunkeln mit einer defekten Kamera zu machen; die Ergebnisse waren verschwommen oder gar nicht vorhanden.

Die Lösung: VADER1
Dieses Paper stellt eine neue Erfindung namens VADER1 vor. Betrachten Sie VADER1 als eine brandneue, hochleistungsfähige rote Sicherheitskamera, die speziell für die Arbeit im tiefen Gewebe entwickelt wurde.

Hier ist das, was VADER1 leisten kann, was die alten Modelle nicht konnten:

• Tiefe Sicht: Es funktioniert perfekt mit der Zwei-Photonen-Taschenlampe und ermöglicht es Wissenschaftlern, elektrische Funken selbst in den tiefsten Schichten des Gehirns (speziell erwähnt: Schicht 5 des Kortex) klar zu sehen.
• Schnell & Flexibel: Es ist schnell genug, um die Sekundenbruchteile eines feuernden Neurons einzufangen. Es funktioniert sowohl, wenn Wissenschaftler das Gehirn zufällig scannen (wie das Überprüfen bestimmter Häuser), als auch, wenn sie es in einer schnellen, wischenden Bewegung scannen (wie ein Sicherheitswachmann bei einer vollständigen Patrouille).
• Teamplayer: Da es rot leuchtet, kollidiert es nicht mit anderen Werkzeugen. Wissenschaftler können VADER1 nutzen, um elektrische Funken zu beobachten, während sie gleichzeitig ein anderes Werkzeug verwenden, um Kalziumwerte (ein weiteres Zeichen der Gehirnaktivität) zu beobachten, was eine „Dual-Color“-Ansicht dessen schafft, was gerade passiert.

Das Fazit
VADER1 füllt ein entscheidendes fehlendes Puzzleteil. Es ermöglicht Wissenschaftlern endlich, die Tiefenbildgebung des Gehirns mit der Fähigkeit zu kombinieren, schnelle elektrische Signale und andere neuronale Ereignisse gleichzeitig zu beobachten. Dies ebnet den Weg für eine neue Ära der „all-optischen Elektrophysiologie“, in der Wissenschaftler die elektrische Stadt des Gehirns allein mit Licht sowohl beobachten als auch steuern können, ohne physische Drähte einsetzen zu müssen.