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

Stel je de hersenen voor als een bruisende stad waar miljarden kleine boodschappers (neuronen) met elkaar communiceren door razendsnelle elektrische vonken te verzenden. Om te begrijpen hoe deze stad werkt, hebben wetenschappers een manier nodig om naar deze vonken te "luisteren" zonder de muren van de stad te breken.

Lange tijd hadden wetenschappers een speciaal hulpmiddel genaamd een GEVI (Genetically Encoded Voltage Indicator). Denk aan dit als een kleine, onzichtbare beveiligingscamera die wetenschappers in specifieke typen neuronen kunnen programmeren. Wanneer een neuron een elektrische vonk afgeeft, flitst deze camera, waardoor wetenschappers de activiteit in realtime kunnen zien.

Er was echter een groot probleem met de bestaande camera's:

• Het Kleurprobleem: De meeste van deze camera's flitsten in blauw of groen licht. Maar om diep in de hersenen te kunnen kijken (zoals het kijken in de kelder van een wolkenkrabber), hebben wetenschappers een speciale "zaklamp" nodig die twee-foton excitatie wordt genoemd. Blauw en groen licht worden geblokkeerd door het weefsel van de hersenen, alsof je door een dikke mist probeert te kijken met een zwakke zaklamp.
• De Rode Kloof: Wetenschappers hadden een camera nodig die rood gloeide. Rood licht is als een krachtige laser die door de mist kan snijden en diep in de hersenen kan reiken. Bovendien werkt rood licht goed samen met andere instrumenten (zoals blauw licht schakelaars die worden gebruikt om neuronen te besturen), waardoor wetenschappers meerdere instrumenten tegelijkertijd kunnen gebruiken zonder dat ze met elkaar interfereren.

Het Probleem: Tot nu toe waren de rode camera's die bestonden te zwak of te traag om goed te werken met deze diep-weefsel "twee-foton" zaklamp. Ze waren als het proberen te maken van een heldere foto van een snel rijdende auto in het donker met een kapotte camera; de resultaten waren wazig of zelfs afwezig.

De Oplossing: VADER1
Dit artikel introduceert een nieuwe uitvinding genaamd VADER1. Denk aan VADER1 als een gloednieuwe, hoogwaardige rode beveiligingscamera, speciaal ontworpen voor diep weefselwerk.

Dit is wat VADER1 kan wat de oude niet konden:

• Diep Zicht: Het werkt perfect met de twee-foton zaklamp, waardoor wetenschappers de elektrische vonken zelfs in de diepste lagen van de hersenen (specifiek vermeld: Laag 5 van de cortex) duidelijk kunnen zien.
• Snel & Flexibel: Het is snel genoeg om de fractie van een seconde waarin een neuron een vonk afgeeft te vangen. Het werkt of wetenschappers nu willekeurig door de hersenen scannen (zoals het controleren van specifieke huizen) of snel in een vegende beweging scannen (zoals een beveiliger die een volledige ronde doet).
• Teamspeler: Omdat het rood gloeit, botst het niet met andere instrumenten. Wetenschappers kunnen VADER1 gebruiken om elektrische vonken te observeren, terwijl ze tegelijkertijd een ander instrument gebruiken om calciumniveaus te observeren (een ander teken van hersenactiviteit), wat een "dual-color" beeld creëert van wat er gebeurt.

De Kernboodschap
VADER1 vult een cruciaal ontbrekend puzzelstuk in. Het stelt wetenschappers eindelijk in staat om diep-hersen beeldvorming te combineren met het vermogen om snelle elektrische signalen en andere neurale gebeurtenissen tegelijkertijd te observeren. Dit legt de basis voor een nieuw tijdperk van "all-optical electrophysiology", waarbij wetenschappers zowel de elektrische stad van de hersenen kunnen observeren als besturen met behulp van alleen licht, zonder dat ze fysieke draden hoeven in te brengen.