Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     Siemens  n-tv 
Datenbankrecherche:

Fachgebiet (optional):

 

New fluorescent dyes highlight neuronal activity

26.01.2012
Researchers at the University of California, San Diego School of Medicine have created a new generation of fast-acting fluorescent dyes that optically highlight electrical activity in neuronal membranes. The work is published in this week's online Early Edition of the Proceedings of the National Academy of Sciences.

Anzeige


These are leech neurons stained with voltage-sensitive dye. Credit: UC San Diego School of Medicine

The ability to visualize these small, fast-changing voltage differences between the interior and exterior of neurons – known as transmembrane potential – is considered a powerful method for deciphering how brain cells function and interact.

However, current monitoring methods fall short, said the study's first author Evan W. Miller, a post-doctoral researcher in the lab of Roger Tsien, PhD, Howard Hughes Medical Institute investigator, UC San Diego professor of pharmacology, chemistry and biochemistry and 2008 Nobel Prize co-winner in chemistry for his work on green fluorescent protein.

"The most common method right now monitors the movement of calcium ions into the cell," said Miller. "It provides some broad indication, but it's an indirect measurement that misses activity we see when directly measuring voltage changes."

The new method employs dyes that penetrate only the membrane of neurons, either in in vitro cells cultured with the dye or, for this study, taken up by neurons in a living leech model. When the dyed cells are exposed to light, neuronal firing causes the dye momentarily to glow more brightly, a flash that can be captured with a high-speed camera.

"One of the tradeoffs with using voltage-sensing dyes in the past is that when they were reasonably sensitive to voltage changes, they were slow compared to the actual physiological events," said Miller. "The new dye gives big signals but is much faster and doesn't perturb the neurons. We essentially see no lag time between the optical signal and electrodes (used to double-check neuronal activity)."

The new method provides a wider view of neuronal activity, said Miller. More importantly, it makes it possible for neuroscientists to do accurate, single trial experiments. "Right now, you have to repeat experiments with cells, and then average the results, which is physiologically less relevant and meaningful."

For Tsien, the new dyes address a career-long challenge.

"These results are the first demonstration of a new mechanism to sense membrane voltage, which is particularly satisfying to me because this was the first problem I started working on as a graduate student in 1972, with little success back then," said Tsien. "Later, we devised indirect solutions such as calcium imaging or dyes that gave big but slow responses to voltage. These techniques have been very useful in other areas of biology or in drug screening, but didn't properly solve the original problem. I think we are finally on the right track, four decades later."

Funding for this research came, in part, from the Howard Hughes Medical Institute, the National Institutes of Health, including the National Institute of Neurological Disorders and Stroke and the National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering.

Co-authors are John Y. Lin, Department of Pharmacology, UC San Diego; E. Paxon Frady, Neurosciences Graduate Group, UC San Diego; Paul A. Steinbach, Department of Pharmacology, UC San Diego and Howard Hughes Medical Institute; William B. Kristan, Jr., Division of Biological Sciences, UC San Diego.

Researchers at the University of California, San Diego School of Medicine have created a new generation of fast-acting fluorescent dyes that optically highlight electrical activity in neuronal membranes. The work is published in this week's online Early Edition of the Proceedings of the National Academy of Sciences.

The ability to visualize these small, fast-changing voltage differences between the interior and exterior of neurons – known as transmembrane potential – is considered a powerful method for deciphering how brain cells function and interact.

However, current monitoring methods fall short, said the study's first author Evan W. Miller, a post-doctoral researcher in the lab of Roger Tsien, PhD, Howard Hughes Medical Institute investigator, UC San Diego professor of pharmacology, chemistry and biochemistry and 2008 Nobel Prize co-winner in chemistry for his work on green fluorescent protein.

"The most common method right now monitors the movement of calcium ions into the cell," said Miller. "It provides some broad indication, but it's an indirect measurement that misses activity we see when directly measuring voltage changes."

The new method employs dyes that penetrate only the membrane of neurons, either in in vitro cells cultured with the dye or, for this study, taken up by neurons in a living leech model. When the dyed cells are exposed to light, neuronal firing causes the dye momentarily to glow more brightly, a flash that can be captured with a high-speed camera.

"One of the tradeoffs with using voltage-sensing dyes in the past is that when they were reasonably sensitive to voltage changes, they were slow compared to the actual physiological events," said Miller. "The new dye gives big signals but is much faster and doesn't perturb the neurons. We essentially see no lag time between the optical signal and electrodes (used to double-check neuronal activity)."

The new method provides a wider view of neuronal activity, said Miller. More importantly, it makes it possible for neuroscientists to do accurate, single trial experiments. "Right now, you have to repeat experiments with cells, and then average the results, which is physiologically less relevant and meaningful."

For Tsien, the new dyes address a career-long challenge.

"These results are the first demonstration of a new mechanism to sense membrane voltage, which is particularly satisfying to me because this was the first problem I started working on as a graduate student in 1972, with little success back then," said Tsien. "Later, we devised indirect solutions such as calcium imaging or dyes that gave big but slow responses to voltage. These techniques have been very useful in other areas of biology or in drug screening, but didn't properly solve the original problem. I think we are finally on the right track, four decades later."

Funding for this research came, in part, from the Howard Hughes Medical Institute, the National Institutes of Health, including the National Institute of Neurological Disorders and Stroke and the National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering.

Co-authors are John Y. Lin, Department of Pharmacology, UC San Diego; E. Paxon Frady, Neurosciences Graduate Group, UC San Diego; Paul A. Steinbach, Department of Pharmacology, UC San Diego and Howard Hughes Medical Institute; William B. Kristan, Jr., Division of Biological Sciences, UC San Diego.

Scott LaFee | Quelle: EurekAlert!
Weitere Informationen: www.ucsd.edu

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Mütterliche Antikörper behindern Impfschutz bei jungen Katzen
22.05.2012 | Paul-Ehrlich-Institut - Bundesinstitut für Impfstoffe und biomedizinische Arzneimittel

nachricht Der nukleare GAU ist wahrscheinlicher als gedacht
22.05.2012 | Max-Planck-Institut für Chemie

Alle Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>


Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Meilenstein in der Nanopartikel-Forschung: Nanopartikel-Testhandbuch setzt Standards


Unter Federführung der Empa erscheint ein neues Standardwerk, das die europäische Forschung an Nanopartikeln vereinheitlichen soll.

Exakte Laborvorschriften zur Herstellung definierter Nanopartikel und zu deren Analytik stellen die Arbeiten auf diesem Gebiet auf eine neue Grundlage und machen sie erstmals vergleichbar. Herausgeber ist Harald Krug, Leiter des Empa-Departements «Materials meet Life».

Das neue Standardwerk soll Schluss machen mit dem «babylonischen Sprachgewirr», das derzeit noch in der Nanoforschung ...

Im Focus: Frühdiagnostik bei Rheuma: SPECT zeigt Knochenveränderungen schon im Frühstadium


Bei rheumatischen Erkrankungen erlauben moderne bildgebende Verfahren weit mehr als nur die Darstellung der knöchernen Gelenkstrukturen.

Mit funktionellen Untersuchungsmethoden wie der hochauflösenden Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) können pathologische Knochenumbauvorgänge bereits sehr früh nachgewiesen werden, mitunter schon zu einem Zeitpunkt, zu dem selbst die MRT-Diagnostik noch unauffällig ist. Eine Studie der Universitätsradiologie Düsseldorf, die jetzt auf dem 93. Deutschen Röntgenkongress vorgestellt wurde.

In der Rheumatologie hat sich in den letzten ...

Im Focus: Rizinusöl wirkt über einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor


Wirkmechanismus eines der ältesten Arzneimittel der Menschheit aufgeklärt

Rizinusöl ist vor allem als effektives Abführmittel bekannt, wurde aber auch bereits in der Antike bei Schwangeren zur Förderung der Wehentätigkeit eingesetzt.

Erst jetzt ist es Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung gelungen, die entscheidenden Details des Wirkmechanismus zu entschlüsseln. Verantwortlich ist demnach ein Rezeptor mit dem Namen EP3 auf ...

Im Focus: Gelenkige Schildkröte - Zwei neue Arten der Landschildkröte Kinixys in Afrika entdeckt


Pünktlich zum morgigen Weltschildkrötentag wird die Artenliste der Panzerträger um zwei Namen reicher.

Wissenschaftler des Senckenberg Forschungsinstitutes in Dresden haben gemeinsam mit einem internationalen Forscherteam zwei neue Arten der afrikanischen Gelenkschildkröte identifiziert. Die zugehörige Studie ist kürzlich im Fachjournal „Journal of Zoological Systematics and Evolutionary Research“ erschienen.

Gelenkschildkröten sind die Bewegungskünstler unter den landlebenden Schildkröten. Aufgrund eines Scharniers im Rückenpanzer können die in Afrika ...

Im Focus: Wichtige Rolle bei der Steuerung der postnatalen Neurogenese nachgewiesen


Eine Forschungsgruppe der Universität Ulm hat einen neuartigen molekularen Schalter im Gehirn identifiziert, der eine wichtige Rolle bei der Steuerung der postnatalen Neurogenese im Gyrus dentatus spielt, der Unterregion im Hippocampus, in der lebenslang Nervenzellen aus neuralen Stammzellen gebildet werden.

„Unsere Untersuchungen beschreiben erstmals einen neuen und letztlich unerwarteten Signalweg bei der Regulation der Neurogenese im Hippocampus“, sagt Professor Stefan Britsch, Direktor des Instituts für Molekulare und Zelluläre Anatomie, der die Arbeit dieser Tage gemeinsam mit Dr. Ruth Simon im international renommierten Fachblatt EMBO-Journal veröffentlicht. An dem von der Deutschen ...

Alle Focus-News des innovations-reports >>>

Anzeige

B2B Suche
Produkt / Dienstleistung
Firma / Organisation

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Aktuell

Mütterliche Antikörper behindern Impfschutz bei jungen Katzen

22.05.2012 | Biowissenschaften Chemie

Researchers Improve Fast-Moving Mobile Networks

22.05.2012 | Kommunikation Medien

New microscope uses rainbow of light to image the flow of individual blood cells

22.05.2012 | Medizintechnik

VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Veranstaltungen

Bericht zum Lachsmanagement: Die BLE auf der NASCO-Jahrestagung

22.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten

Plagiate und wissenschaftliches Fehlverhalten

22.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten

Der IdeenPark weckt Begeisterung für Technik

22.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten

FindAndHelp