Σε ένα άρθρο στο Cell, ερευνητές που χρηματοδοτούνται από Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας περιέγραψαν πώς χρησιμοποίησαν προηγμένες τεχνικές γενετικής μηχανικής για να μετατρέψουν μια βακτηριακή πρωτεΐνη σε ένα νέο ερευνητικό εργαλείο που μπορεί να βοηθήσει στην παρακολούθηση της μετάδοσης σεροτονίνης με μεγαλύτερη πιστότητα από τις τρέχουσες μεθόδους.
Προκλινικά πειράματα, κυρίως σε ποντίκια, έδειξαν ότι ο αισθητήρας μπορούσε να ανιχνεύσει λεπτές, σε πραγματικό χρόνο αλλαγές στα επίπεδα της σεροτονίνης του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια του ύπνου, του φόβου και των κοινωνικών αλληλεπιδράσεων, καθώς και να ελέγξει την αποτελεσματικότητα των νέων ψυχοδραστικών φαρμάκων.
Η μελέτη χρηματοδοτήθηκε, εν μέρει, από την έρευνα εγκεφάλου του NIH μέσω της πρωτοβουλίας Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN), η οποία στοχεύει στην επανάσταση της κατανόησης του εγκεφάλου υπό υγιείς και παθολογικές κατσατάσεις.
Η μελέτη διεξήχθη από ερευνητές στο εργαστήριο του Lin Tian, Ph.D., κύριου ερευνητή στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια Davis School of Medicine. Οι τρέχουσες μέθοδοι μπορούν να ανιχνεύσουν μόνο μεγάλες αλλαγές στη σηματοδότηση σεροτονίνης. Σε αυτήν τη μελέτη, οι ερευνητές μετέτρεψαν μια βακτηριακή πρωτεΐνη σχήματος παγίδα Venus που αρπάζει θρεπτικά συστατικά σε έναν εξαιρετικά ευαίσθητο αισθητήρα που ανάβει με φθορισμό όταν συλλαμβάνει σεροτονίνη.
Προηγουμένως, οι επιστήμονες στο εργαστήριο του Loren L. Looger, Ph.D., του Ιατρικού Ινστιτούτου Howard Hughes Janelia Research Campus, Ashburn, Virginia, χρησιμοποίησαν παραδοσιακές τεχνικές γενετικής μηχανικής για να μετατρέψουν τη βακτηριακή πρωτεΐνη σε έναν αισθητήρα του νευροδιαβιβαστή ακετυλοχολίνης.
Η πρωτεΐνη, που ονομάζεται OpuBC, συσσωρεύει συνήθως τη θρεπτική χολίνη, η οποία έχει παρόμοιο σχήμα με την ακετυλοχολίνη. Για αυτήν τη μελέτη, το εργαστήριο Tian συνεργάστηκε με την ομάδα του Dr. Looger και το εργαστήριο Viviana Gradinaru, Ph.D., Caltech, Pasadena, California, για να δείξουν ότι χρειάζονται την πρόσθετη βοήθεια της τεχνητής νοημοσύνης για να επανασχεδιάσουν πλήρως το OpuBC ως catcher σεροτονίνης .
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αλγόριθμους μηχανικής μάθησης για να βοηθήσουν έναν υπολογιστή να «σκεφτεί» 250.000 νέα σχέδια. Μετά από τρεις γύρους δοκιμών, οι επιστήμονες εγκαταστάθηκαν σε έναν. Τα αρχικά πειράματα έδειξαν ότι ο νέος αισθητήρας ανίχνευσε αξιόπιστα τη σεροτονίνη σε διαφορετικά επίπεδα στον εγκέφαλο ενώ είχε μικρή ή καθόλου αντίδραση σε άλλους νευροδιαβιβαστές ή παρόμοια σχήματα φαρμάκων.
Πειράματα σε εγκεφάλους ποντικού έδειξαν ότι ο αισθητήρας ανταποκρίθηκε σε σήματα σεροτονίνης που αποστέλλονται μεταξύ νευρώνων σε σημεία συναπτικής επικοινωνίας. Εν τω μεταξύ, τα πειράματα σε κύτταρα σε τρυβλία Petri έδειξαν ότι ο αισθητήρας θα μπορούσε αποτελεσματικά να παρακολουθεί τις αλλαγές σε αυτά τα σήματα που προκαλούνται από φάρμακα, όπως η κοκαΐνη, το MDMA (επίσης γνωστό ως έκσταση) και πολλά κοινά αντικαταθλιπτικά.
Τέλος, πειράματα σε ποντίκια έδειξαν ότι ο αισθητήρας θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να μελετήσουν τη νευροδιαβίβαση σεροτονίνης υπό πιο φυσικές συνθήκες. Για παράδειγμα, οι ερευνητές είδαν μια αναμενόμενη αύξηση των επιπέδων σεροτονίνης όταν τα ποντίκια ήταν ξύπνια και μια πτώση καθώς τα ποντίκια κοιμήθηκαν.