חיישן למדידת דופמין
מחוץ לתא

המוליך העצבי דופמין ממלא תפקיד חשוב בלמידה, בקשב, בתפקוד מוטורי ובמוטיבציה, וקשור גם לכמה הפרעות של מערכת העצבים כגון סכיזופרניה, התמכרות ומחלת פרקינסון. כמו כל המוליכים העצביים, הוא משתחרר דרך צמתים עצביים שנקראים סינפסות, המקשרים בין שני תאי עצב שכנים. עם זאת, נראה שדופמין פועל גם כ"נוירומודולטור", כלומר, כמווסת של הפרשת מוליכים עצביים אחרים. זאת כאשר הוא משתחרר בצורה נרחבת יותר, יוצא אל מעבר לגבולות הסינפסה ופועל על קולטנים שנמצאים בתאי העצב שמפרישים את המוליכים העצביים האחרים. מנגנון זה מאפשר למספר קטן יחסית של תאי עצב להשפיע על רשתות שלמות של תאי עצב, ונראה שהוא אחראי לרבות מההשפעות המגוונות של דופמין. 

בניגוד להפרשת דופמין בסינפסה, שהיא תהליך קצר שמתרחש באזור מצומצם מאוד, הפרשה של דופמין מחוץ לסינפסה מתרחשת לאורך זמן ואינה ממוקדת באזור מסוים. לכן נדרשות שיטות מדידה שמראות רזולוציה גבוהה בזמן ובמרחב – והשיטות שקיימות היום מוגבלות מבחינה זו. במאמר שהתפרסם לאחרונה,  חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי מדווחים על פיתוח חיישן שמגיב למולקולות דופמין במוח שמופרשות מחוץ לסינפסה.

ננו-צינורית רגישה לדופמין

החוקרים השתמשו בננו-צינורית פחמן (carbon nanotube) – צינורית שקוטרה עד 25 ננומטרים, או מיליארדית המטר. צינורית זו כבר פותחה במחקר קודם, והיא פולטת קרינה פלואורסצנטית באורך גל קרוב לתת-אדום. כדי להפוך אותה לחיישן לדופמין, "עטפו" החוקרים את הצינורית בפולימרים סינתטיים שבעבר הוכח שהם מקנים רגישות ספציפית לדופמין, כלומר גורמים לצינורית לפלוט קרינה פלואורסצנטית בעקבות הוספת דופמין. בהתאמה לתוצאות המחקר הקודם, הוספת תמיסה שמכילה דופמין העלתה את עוצמת הפלואורסצנציה פי 25, ואילו מוליכים עצביים אחרים, לרבות גלוטמט, המוליך העצבי המעורר העיקרי במוח, ו-GABA, המוליך העצבי המדכא העיקרי במוח, לא גרמו לכך. מכאן שהצינורית מראה רגישות ספציפית לדופמין, ואפשר להשתמש בה כחיישן למדידתו.

בשלב הבא, החוקרים בדקו אם החיישן יכול לזהות דופמין חוץ-תאי בסטריאטום (striatum), אזור במוח שדופמין ממלא בו תפקיד חשוב ביצירת תחושת העונג. החוקרים עוררו תאי עצב בחתכי מוח מעכברים להפריש דופמין על ידי מתן זרם חשמלי, ובדקו אם הזרם החשמלי מעלה את עוצמת הקרינה הנפלטת מהחיישן, בגלל העלייה הצפויה בהפרשת דופמין. כך אמנם היה, והחיישן הראה את יעילותו בגילוי הדופמין החוץ-תאי. כאשר החוקרים חילקו תת-אזור בסטריאטום לתת-אזורים קטנים יותר, הצביע החיישן על הבדלים גדולים בהפרשת הדופמין בין תת-האזורים השונים. כמו כן, בהשוואה לשיטה אחרת שמשמשת למדידת דופמין חוץ-תאי, הדעיכה של הפלואורסצנציה הייתה איטית יותר, ולכן היה אפשר למדוד אותה לאורך זמן רב יותר. שני הממצאים האחרונים מצביעים על רזולוציה גבוהה של השיטה במרחב ובזמן.

כשהוסיפו לתמיסה שבה היו חתכי המוח חומר שחוסם את הפינוי של דופמין לאחר הפרשתו, כך שהוא שהה בחלל שסביב תאי המוח זמן רב יותר, העלייה בפלואורסצנציה הייתה גדולה יותר וגם הדעיכה שלה הייתה איטית יותר. ניסוי דומה נעשה עם חומרים שמגבירים או מדכאים הפרשת דופמין. בעוד שהחומר שמגביר הפרשת דופמין העלה עוד יותר את עוצמת הקרינה, החומר שמדכא הפרשת דופמין ביטל לחלוטין את העלייה בפלואורסצנציה. מכאן שהחיישן מגלה, גם בחתכי מוח, רגישות לשינויים בהפרשת דופמין.

ספציפיות לדופמין, גם במוח

כפי שציינו קודם, החיישן הראה רגישות ספציפית לדופמין על פני מוליכים עצביים אחרים, ובהם גלוטמט, כאשר הוסיפו לו תמיסות שמכילות את המוליכים העצביים הללו. עם זאת, לא נבדק מה קורה כאשר שני המוליכים העצביים נמצאים ביחד במוח עצמו – האם אכן רק הדופמין יגרום לתגובה של החיישן? באזור הסטריאטום שהזכרנו למעלה מופרשים הן דופמין והן גלוטמט, מתאי עצב שנמצאים במוח התיכון או בקליפת המוח (קורטקס), בהתאמה. החוקרים השתמשו בשיטה שנקראת אופטוגנטיקה, שבה הזריקו לאחד מהאזורים הללו נגיף מחובר לתעלה שרגישה לאור באורך גל מסוים. התעלה הגיעה, בסופו של דבר, לקצות עצבים מפרישי דופמין או גלוטמט בהתאם לאזור ההזרקה.

לאחר מכן נלקחו מהעכברים חתכי מוח, והוקרן עליהם אור באורך גל שגורם לעירור חשמלי של קצה העצב, ובעקבותיו להפרשה של אחד המוליכים העצביים. לא חל כל שינוי בפלואורסצנציה של החיישן  בעקבות עירור של עצבים מפרישי גלוטמט, כלומר של חתכי מוח מעכברים שהוזרקו באזור שמפריש גלוטמט. לעומת זאת, עירור של קצות עצבים מפרישי דופמין גרם לעלייה בפלואורסצנציה. זאת ועוד: ככל שמספר הקרנות האור עלה, גם העלייה בפלואורסצנציה הייתה גבוהה יותר, ואילו הוספת חומר שמדכא הפרשת דופמין ביטלה לחלוטין את העלייה בפלואורסצנציה. מכאן שהחיישן מגלה ספציפיות לדופמין לא רק בתמיסה, אלא גם ברקמת המוח. 

יתרונה של השיטה החדשה הוא שהיא אינה מצריכה הנדסה גנטית, שכן החיישן החדש אינו חלבון שמקודד על ידי גֶן מסוים. בנוסף, קל יחסית להכניס אותו למוח, והעובדה שמדובר בחומר סינתטי מסירה את החשש מפני תגובות כימיות לא-ספציפיות שיכולות להתרחש כאשר משתמשים בגלאים אופטיים שמבוססים על חלבונים, כדוגמת חלבוני G שמעורבים בתגובות שרשרת תוך-תאיות. לבסוף, השיטה מראה רזולוציה גבוהה בזמן ובמרחב. ניסויים נוספים יוכלו לקבוע אם ואיך שינויים מבניים ותפקודיים בקצות עצבים מפרישי דופמין משפיעים על שינויים בפלואורסצנציה שמתקבלת מהחיישן.