(Kraniální) okno do mozku

V posledních desetiletích jsme do značné míry zvládli poznávání mozku na dvou okrajích jakési prostorově-funkční škály. Je ale čím dál zřejmější, že pro hlubší pochopení funkce mozku bude zcela zásadní prozkoumání té části „uprostřed“, tedy s globálnějším přístupem, při němž bychom však stále dosáhli velmi přesného mechanistického pochopení dějů. Řešení nabízí optofyziologie.

Trvalo poměrně dlouho, než lidstvo začalo poznávat, jaké mechanismy stojí za jednotlivými projevy mozku ve zdraví i nemoci. Ze základních věcí již delší dobu například víme, na jaké činnosti se vybrané oblasti specializují a jak se projeví, je-li v této oblasti mozek poškozen třeba mrtvicí. Pokročilejší metody nám mimo jiné prozradily, jak a kdy se v neuronu aktivuje specifický iontový kanál a jaké onemocnění se rozvine u člověka, který se narodí s určitou mutací v příslušném genu.

Na jedné straně máme informace spíše empirické, které ale popisují celý systém (funkční magnetická rezonance, EEG), na druhé straně generujeme informace velmi přesného mechanistického rázu, ale popisujeme funkci jednotlivých izolovaných neuronů bez kontextu (elektrofyziologie typu patch-clamp, mikroskopie neuronů, molekulární biologie).

Přestože informace z obou konců oné škály mají nezastupitelný přínos, nyní před námi stojí úkol zaplnit mezeru mezi oběma přístupy. Řekněme například, že bychom nahrávali stovky až tisíce neuronů v důležité části mozkové kůry živého (dokonce bdělého) savčího modelu, kde bychom snadno určili přesnou pozici těchto neuronů, znali přesný typ každého neuronu a charakter jeho propojení, zatímco bychom měřili aktivitu každého z neuronů v čase a případně také současně utlumili nebo vybudili jednotlivé typy neuronů, nebo dokonce jednotlivé vybrané neurony. Co kdybychom ještě požadovali, abychom aktivitu z přesně stejných neuronů v daném zvířeti mohli opakovaně měřit v průběhu několika dnů či týdnů? Je vůbec možné získat taková data? Dlouhodobé elektrofyziologické experimenty, které v posledních desetiletích byly za podobnými účely metodou první volby, mohou splnit z výše vypsaných požadavků vždy pouze určitou část. Neurony jsou elektricky aktivní a v rámci přenosu signálu generují akční potenciály, kdy se v rámci několika milisekund prudce změní napětí na jejich membráně. Elektrofyziologický přístup přímo měří změny elektrického signálu na použité elektrodě a pomocí moderního vybavení a pečlivého experimentálního uspořádání může být záznam relativně málo zatížen šumem a může být v reálném čase. Přiřazení měřených elektrických signálů k jednotlivým neuronům v živém mozku je ale zvláště v chronickém experimentu velmi složité a lze takto identifikovat pouze omezený počet neuronů.

Jaké máme tedy jiné možnosti? Zkusme to bez drátů – například světlem! Okamžitě vás asi napadne mnoho principiálních překážek – kontrast, rozptyl a absorpce, rychlost snímání, převedení napěťových změn na buněčné membráně na světelné signály, mozek krytý lebkou. V posledních patnácti letech byly však tyto překážky postupně překonány a optický přístup k fyziologii – ona optofyziologie – již dnes umožňuje popsaný komplexní experiment provádět.

Barevné senzory

Tkáň mozku je z velké většiny tvořena vodou a nebarevnými organickými molekulami. Velmi vysoký kontrast ale poskytne fluorescenční mikroskopie. Molekule, která je schopna přijmout foton (excitace) a s určitou pravděpodobností vzápětí vyzářit foton o jiné vlnové délce (zářivá deexcitace, fluorescence), říkáme fluorofor. Ten může posloužit několika způsoby. Jde-li například o nenavázaný fluorescenční protein (obr. 1A), který bude tvořen jen v některých typech buněk (například jen v inhibičních neuronech), odliší tyto buňky od zbytku pozorované skupiny.