Scans van serotonineniveaus in de hersenen van muizen tijdens verschillende stadia van slaap en waakzaamheid. Dikke rode en gele strepen vertegenwoordigen lagere niveaus, terwijl dunne strepen hogere niveaus vertegenwoordigen.
Wetenschappers, gefinancierd door het NIH BRAIN Initiative, gebruikten kunstmatige intelligentie om te helpen bij het herontwerpen van een bacterieel eiwit in de vorm van een Venus-vliegenvanger die voedingsstoffen grijpt, tot een zeer gevoelige serotoninesensor. Hier registreerde de sensor voor het eerst subtiele, realtime veranderingen in serotonineniveaus in de hersenen terwijl muizen overschakelden tussen verschillende stadia van slaap en waakzaamheid. Tian lab. University of California Davis School of Medicine.
Serotonine is een neurochemische stof die een cruciale rol speelt in de manier waarop de hersenen onze gedachten en gevoelens beheersen. Veel antidepressiva zijn bijvoorbeeld ontworpen om serotoninesignalen tussen neuronen te veranderen. In een artikel in Cell beschreven door National Institutes of Health gefinancierde onderzoekers hoe ze geavanceerde genetische manipulatietechnieken gebruikten om een bacterieel eiwit om te zetten in een nieuw onderzoeksinstrument dat kan helpen om de overdracht van serotonine betrouwbaarder te volgen dan de huidige methoden.
Preklinische experimenten, voornamelijk bij muizen, toonden aan dat de sensor subtiele, realtime veranderingen in de serotoninespiegel in de hersenen tijdens slaap, angst en sociale interacties kon detecteren, en ook de effectiviteit van nieuwe psychoactieve medicijnen kon testen. De studie werd gedeeltelijk gefinancierd door het NIH’s Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) Initiative, dat tot doel heeft een revolutie teweeg te brengen in ons begrip van de hersenen onder gezonde en ziektetoestanden.
De studie werd geleid door onderzoekers in het laboratorium van Lin Tian, Ph.D., hoofdonderzoeker aan de University of California Davis School of Medicine. De huidige methoden kunnen alleen brede veranderingen in serotoninesignalering detecteren. In deze studie transformeerden de onderzoekers een bacterieel eiwit in de vorm van een Venus-vliegenval in een zeer gevoelige sensor die fluorescerend oplicht wanneer het serotonine vangt. Eerder gebruikten wetenschappers in het laboratorium van Loren L. Looger, Ph.D., Howard Hughes Medical Institute Janelia Research Campus, Ashburn, Virginia, traditionele genetische manipulatietechnieken om het bacteriële eiwit om te zetten in een sensor van de neurotransmitter acetylcholine.
Het eiwit, OpuBC genaamd, blijft normaal gesproken haken in de voedingsstof choline, die een vergelijkbare vorm heeft als acetylcholine. Voor deze studie werkte het Tian-lab samen met het team van Dr.Looger en het lab van Viviana Gradinaru, Ph.D., Caltech, Pasadena, Californië, om te laten zien dat ze de extra hulp van kunstmatige intelligentie nodig hadden om OpuBC volledig opnieuw te ontwerpen als serotoninevanger. .
De onderzoekers gebruikten algoritmen voor machine learning om een computer te helpen 250.000 nieuwe ontwerpen te ‘bedenken’. Na drie testrondes kwamen de wetenschappers tot een besluit. Eerste experimenten suggereerden dat de nieuwe sensor op betrouwbare wijze serotonine detecteerde op verschillende niveaus in de hersenen, terwijl hij weinig of geen reactie vertoonde op andere neurotransmitters of gelijkaardige medicijnen. Experimenten in hersenplakjes van muizen toonden aan dat de sensor reageerde op serotoninesignalen die tussen neuronen op synaptische communicatiepunten werden verzonden. Ondertussen suggereerden experimenten met cellen in petrischalen dat de sensor effectief veranderingen in deze signalen, veroorzaakt door drugs, waaronder cocaïne, MDMA (ook bekend als ecstasy) en verschillende veelgebruikte antidepressiva, kon volgen.
Ten slotte toonden experimenten bij muizen aan dat de sensor wetenschappers zou kunnen helpen bij het bestuderen van serotonine-neurotransmissie onder meer natuurlijke omstandigheden. De onderzoekers waren bijvoorbeeld getuige van een verwachte stijging van de serotoninespiegel wanneer muizen wakker waren en een val toen muizen in slaap vielen. Ze zagen ook een grotere druppel toen de muizen uiteindelijk de diepte binnendrongen, R.E.M. slaap staten. Traditionele controlemethoden voor serotonine zouden deze veranderingen hebben gemist. Bovendien zagen de wetenschappers de serotoninespiegel anders stijgen in twee afzonderlijke hersenangstcircuits wanneer muizen werden gewaarschuwd voor een voetschok door een rinkelende bel. In het ene circuit – de mediale prefrontale cortex – veroorzaakte de bel dat de serotoninespiegel snel en hoog steeg, terwijl in het andere – de basolaterale amygdala – de zender naar iets lagere niveaus kroop. In de geest van het BRAIN Initiative zijn de onderzoekers van plan de sensor direct beschikbaar te maken voor andere wetenschappers. Ze hopen dat het onderzoekers zal helpen een beter begrip te krijgen van de cruciale rol die serotonine speelt in ons dagelijks leven en in veel psychiatrische aandoeningen.