Gewusst wie: hören Sie sich eine Gehirnzelle zu einem Zeitpunkt


Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Carl Schoonover ist ein NSF Graduate Research Fellow und Neurowissenschaften Doktorand an der Columbia University, wo er die Physiologie und Anatomie der einzelnen Nervenzellen im Gehirn Nagetier studiert. Er ist auch Mitglied der Columbia Neurowissenschaften Writing Group (neuwrite.org) und sein Buch "Geist in Sight", wird im Herbst 2010 veröffentlicht.

Um die Aktivität der Neuronen im narkotisierten Nagetier Gehirne zu messen und markieren sie für anatomische Studie, verwendet Schoonover eine Methode namens "Juxtacellular-Aufnahme", die von französischer Neurowissenschaftler Didier Pinault erfunden wurde. Pinault beschrieben die Methode in einer 1996 Publikation im Journal of Neuroscience Methods mit dem langen Titel "ein neuartiges einzellige Färbung Protokoll durchgeführt in-vivo unter elektrophysiologische Kontrolle: Morpho-Funktionalitäten des Juxtacellularly mit der Bezeichnung Thalamische und anderen zentralen Nervenzellen mit Biocytin oder Neurobiotin."

Wie oft der Fall ist, richtet sich an Wissenschaftler Pinault Beschreibung der Methode (in Fettdruck unten). Bei der Beschreibung seiner eigenen Arbeit, übersetzt Schoonover den Text seines Faches für ein breites Publikum vermitteln einige die immateriellen Werte, die den Prozess.

Pinault : Mikro-Elektroden wurden aus 2 Millimeter Glaskapillaren, enthält eine Mikrosonde zu einem Außendurchmesser von 1,0 bis 1,3 Mikrometer gezogen und füllten sich mit Lösung, Marker-Moleküle enthalten.

Schoonover: Es ist ein Instrument in meinem Labor, DMZ-Universal-Abzieher, die Kunststücke mit Glas ausführt, die derjenigen auch virtuosesten venezianischen Glasbläser zu übertreffen. Jede seiner Kreationen Mikro-Elektrode ist einzigartig, auch wenn ihre Erkennungszeichen offensichtlich nur für die anerkennenden Augen der engagiertesten Bewunderer sind. Die Maschine ist ohne Zweifel bewusst seine Kaliber, und so ist unvorhersehbar sensible, temperamentvolle sogar; Es ist nicht abzusehen, wie die Tageszeit, den Launen des Wetters oder die Feinheiten der t(F1) Einstellung auf ihre Stimmung und Kunst tragen dürfen. Wir Anhänger sind dankbar für ihre Meisterwerke und unsere Zunge zu beißen, wenn die Arbeit enttäuscht. Egal, wir prüfen alles, Studie und Opus, unter dem Objektiv einer 100 X Vergrößerung Mikroskop auf der Suche nach der perfekten Mikro-Elektrodenspitze.

Jeder von uns, die Lehrlinge muss einem Hohlzylinder aus Glas etwa 2 Millimeter im Durchmesser und über 50 in der Länge, in der Master zuversichtlich Griff platzieren. Der DMZ-Universal-Abzieher umhüllt der Mitte des Zylinders mit einem heißen Filament, und mit eine schnelle und präzise Bewegung und eine befriedigende klicken, beginnt es, das Glas an beiden Enden zu zerren. Das Glas, umhüllt von den brennenden Faden, beginnt sich zu entspannen, schmelzen, seine Identität zu verlieren – und dehnen, wie eine Reihe von rosa Kaugummi zwischen den Zähnen und Finger eines frechen 14-Year-old gefangen. Einen Augenblick später, den gesamten Apparat Stöße, die Glas-Druckknöpfe und einem Zylinder wird zwei. Wo die Hitze angewendet worden wären gibt es jetzt zwei gegnerischen Kegel kühlen Glas und am Ende eines jeden von ihnen, eine hohle Spitze, jetzt ein Tausendstel Millimeter im Durchmesser.

Die ideale Form der Mikro-Elektrode ist sofort erkennbar, da es schwer zu beschreiben ist. An der Spitze, die mikroskopisch kleine Loch am Ende des Kegels Glas suchen wir perfekte Symmetrie, eine winzige Öffnung weder zu groß noch zu klein, die Kante nicht rund genug und Lippen, großzügig, üppige Lippen bald dafür müssen zart nähern und seine Gattin zu küssen. Ich weiß was ich meine.

Pinault: angeschlossen an einen Verstärker intrazelluläre Aufnahme, solch eine Mikro-Pipette (DC-Widerstand: 5-7 Mega-Ohm), mit einem Schrittmotor Mikro-Treiber nach unten verschoben wurde.

Schoonover: Mikro-Elektrodenspitze ist das Orakel durch die Neuronen und Menschen unterhalten. Ich fülle meine Elektrode mit einer Lösung in die tauche ich ein Fragment des Drahtes, sich an einen Verstärker angeschlossen. Was die Spitze hört, mein Verstärker hört jetzt; unsere gemeinsame Sprache ist des Ohmschen Gesetzes. Ich schließe die Elektrode auf ein drittes Instrument – präzise, zuverlässig, völlig reizlos. Es läutet mein Elektrodenspitze auf der exponierten Oberfläche eine Ratte Gehirn und mit mikroskopischen Präzision führt ihn in die Tiefe.

Pinault: die Hintergrundgeräusche erhöht in der Regel kurz vor Erreichen der Juxtacellular Lage.

Schoonover: wie senkt sich die Spitze durch die kortikalen Schichten des Gehirns registriert es kontinuierliche Wellen Ton, Tausende von fernen neuronale Murmeln, von denen kann ich keinen Sinn machen. Hier gibt es ein Universum. Mein Ohr belasten nach hinweisen, erwarte ich den Moment, wenn der Ton lauter, wächst, Überspannungen, als ob die Lautstärke auf einem Fernseher erhoben wurden, deren Ausstrahlung längst nicht mehr. Eine Welle der klanglichen Schnee. Ohmsche Gesetz würde es haben, dass bei Glas trifft biologische Membran, der Widerstand zwischen den Draht-Fragment und die Boden-Draht-Sprünge, und so sind die Geräusche um uns herum verstärkt. Jetzt gibt es ein Schneesturm im Labor. Ich habe gefunden, was ich Suche.

Pinault: Identifizierung des Ziels Neuronen in der Regel durch Kenntnis ihrer elektrophysiologische und synaptischen Eigenschaften erreicht wurde... Sobald eine Zelle Juxtacellularly aufgenommen wurde, galt gut isolierten und identifizierten, Biocytin unter elektrophysiologische Kontrolle zu gewährleisten, dass die aufgezeichneten Neuron lebendig geblieben. Die Brücke-Schaltung des Verstärkers Aufnahme beschäftigt, histochemische Tracer wurde zuerst mit einer 50 % Einschaltdauer von 200 Millisekunden anodal Stromimpulse von steigender Intensität angewendet (in der Regel <10>

Schoonover: die Murren unhörbar geworden, als ich mich meinen Verstärker alle langsam Geräusche herausfiltern und konzentrieren sich auf das Fasten; schnell, wie die Ereignisse, die als isolierte Popcorn Explosionen auf meine Lautsprecher jetzt registrieren. Jedes Mal ein Aktionspotential auf meinem Oszilloskop Bildschirm materialisiert und Befehle die gleiche Faszination von mir, wie der kanonische "Spike" vor Jahrzehnten, wenn es aus einem Tintenfisch Axon und in der Geschichte der Wissenschaft sprang. Jede Spitze beginnt mit einer Welle des elektrischen Stroms in die Zelle schießen die grüne Linie auf meinem Oszilloskop nach oben, nur für einen Augenblick später als aktuelle Böen aus der Zelle mit der gleichen Eile zu fallen. Das Aktionspotential, die Währung des Gehirns, sieht aus wie ein umgekehrtes V. Das Auge übernimmt das Ohr aufgehört haben, wobei ich drehen Sie die Lautsprecher auf der grünen Spur kontinuierliche Aktualisierung vor mir, wie ein EKG zu konzentrieren. Anfangs jede Zelle erscheint das gleiche wie alle anderen, die, denen ich vorher gesehen habe, aber bald beginnt jeweils die Persönlichkeit entstehen. Meine Aufgabe ist, es zu bezeugen. Einige sind sehr gesprächig, ihren Monolog in Schüben zu liefern, als ob zu aufgeregt, um die Zeit für jede Silbe in Anspruch nehmen; andere sind mehr bewacht, fast zögernd, oder vielleicht sind sie nur dem Schlachtgetümmel. Und die genaue Form der jede Zelle Spitzen – oh, es ist ein ganzes Subgenre des eigenen. Wörter wie "Fett", "schlank", "lang", "hoch", "kurz", "laut," "ruhig," "schnell" und "langsamen" Wurf am Rande der meinen Notizbüchern, wie jeweils eine Unsterblichkeit des möglichen erreicht. Diese subjektive Kleinigkeiten ist der Stoff, aus dem die Wissenschaft ist.

Es gibt nur so viel, dass ich vor Lauschangriffen lernen kann, egal wie sorgfältig. Das Patchwork der Schlüsse, die ich aus meinem Experiment ziehen darf ist, dass viel reicher, wenn ich die genaue Position der Zelle weiß, ich habe gerade aufgezeichneten oder bin, selbstverständlich seine Form Detailwissen. Denn in der Welt der Neuronen, Form alles ist: Protuberanzen, die Axone und Dendriten genannt schießen aus seiner Mitte und Reisen manchmal Millimeter Abstand — die Datenautobahnen des Gehirns. Wenn ich weiß, wie eine Nervenzelle aussieht, kann ich Ihnen sagen, wie es passt in dieses Netzwerk, und wer es hat gesprochen. Und ich habe so in die Lösung, die die Mikro-Elektrode füllt einen chemischen Spion enthalten; der Trick ist, schleichen sie in den sorgfältig gepflegten Raum auf der anderen Seite der Membran durch zart zu stören. Sobald der Spion ist kann die Zelle von innen beleuchtet werden. Für alle seine Grobheit praktisch die Pulser in diesem Stadium. Sein Herzstück ist eine schwarze Knopf die Größe der Miniaturansicht, die das Ausmaß des elektrischen Stroms bestimmt, die ich bis zum Ende des der Elektrodenspitze liefern soll. Ich programmiere die Pulser für 200 Millisekunden einzuschalten, und erlischt dann wieder für die gleiche Menge an Zeit, und ich sorgfältig – ängstlich drehen Sie den Regler nach rechts, Erhöhung der elektrischen Schocks ein Tick zu einem Zeitpunkt, und lehnen Sie sich in das Oszilloskop.

Pinault: FRom diesem kritischen Moment Impulsintensität wurde angepasst (in der Regel zwischen 1 und 5 Nano-Ampere) wie z. B. um zu verhindern, dass offensichtlich Zellschädigung, das erste Markenzeichen als Aktionspotential Erweiterung, die eine vorübergehende DC-Verschiebung von etwa-40 Millivolt vorangestellt werden könnte.

Schoonover: wie die Membran wird durch die elektrischen Impulse durch die Spitze, meine Elektrode, mein Verstärker punktiert, und ich Zugang zu der Zelle Allerheiligstes und liefern aktuelle direkt drin – meine chemische Spion zusammen mit ihm — verursacht Zelle frenetische Spitzen in der Antwort zu entladen. Die angespannten Minuten, die Folgen sind eine Gratwanderung zwischen stören die Zelle gerade genug und insgesamt überwältigend. Es ist zweifellos ein trauriger Anblick, die die Studentin einer Metallbox spät in der Nacht verkrampft einen kleinen, hartnäckigen Knopf in seinem verschwitzten Fingern greifen gebückt, wie er darauf, die Stimmung eines Patches der Membran ein paar µm Bereich reagiert. In dieser kritischen Phase muss ich die Stromstärke zu jedem Zeitpunkt anpassen, um zu vermeiden, in Vergessenheit geraten worden. Die Gefahr ist ein Tod für die Opernbühne, eine Folge von Spikes, die außer Kontrolle geraten, zu fliegen, als die gesamte Zellmembran unter dem Schock zerfällt, und die Welt da draußen sickert beginnt passen. Erste ein Specht, dann eine Maschine, dann Waffe sobald die Spikes sind unmöglich zu unterscheiden, eine existentielle jammern, dessen Tonhöhe stetig steigt, bis nichts mehr übrig, sondern Stille und eine flache Linie auf dem Oszilloskop. Manchmal entstehen als ob die Wirkung von sein dramatisches Genie auf seinem gebannten Publikum bewusst, eine Zelle in einem Violetta Moment für ein letztes Aufbäumen.

Pinault: bei jedem Versuch beim Ausfüllen einer Zelle Juxtamembranously das elektrische Verhalten in der Regel in einer rhythmischen Weise in Phase mit der Stromimpulse oszilliert. Mit anderen Worten bestand Juxtacellular Anwendung der Tracer Moleküle so "kitzeln" der untersuchten Zelle so lange wie nötig (für ein paar Sekunden bis zu 26 Minuten in dieser Studie).

Schoonover: Es ist leicht genug, um zu rationalisieren; Es gibt Millionen mehr gesunde Zellen so, wie es bei der narkotisierten Ratte ich studiere: diese Art von Cataclysm betrifft nur einen verschwindend kleinen Teil seines Gehirns. Dennoch ist der Verlust jedes Mal verheerend. Ich habe genommen, um die audio-Feed zu schneiden, wenn Dinge beginnen in den Süden aufbrechen. Aber in den besten Zeiten meine Zelle pflichtgemäß feuert Stacheln in Phase mit der Pulser Beginn jede halbe Sekunde, und schweigt, wenn es ausgeschaltet, ein perfektes Gleichgewicht ist. Es ist wichtig, nach wenigen Minuten dieser Behandlung, lassen Sie es wieder aus den Affront, eine Aufgabe finde ich besonders eindringlich. Um der Zelle die Privatsphäre sich einen Ruck muss geben, gehe ich über auf die andere Seite des Raumes ein Ohr offen zu halten und lesen Maureen Dowd, versucht nicht zu sorgen. Der Trick ist, so zu tun wie ich einfach nicht kümmern.

Anmerkung des Herausgebers: Diese Forschung wurde unterstützt von der National Science
Foundation (NSF), der Bundesagentur für grundlegende Finanzierung angeklagt
Forschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik.
Sehen den Blick hinter die Kulissen-Archiv.

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