Naukowcy opracowali rewolucyjny dwu-foton mikroskop fluorescencyjny, który rejestruje aktywność neuronową z dużą szybkością i rozdzielczością komórkową, oferując niespotykany dotąd wgląd w funkcjonowanie mózgu.
To nowe podejście, które umożliwia szybsze obrazowanie i mniej szkodliwe dla tkanki mózgowej niż tradycyjne metody, może zmienić naszą wiedzę na temat sposobu komunikowania się neuronów w czasie rzeczywistym, potencjalnie prowadząc do przełomu w leczeniu chorób neurologicznych, takich jak Alzheimera i Parkinsona.
Przełom w szybkim obrazowaniu mózgu
Naukowcy opracowali nowy dwufotonowy mikroskop fluorescencyjny, który rejestruje obrazy aktywności neuronowej z dużą szybkością w rozdzielczości komórkowej. Dzięki obrazowaniu znacznie szybszemu i mniej szkodliwemu dla tkanki mózgowej niż tradycyjna mikroskopia dwufotonowa, nowe podejście może zapewnić jaśniejszy obraz sposobu komunikowania się neuronów w czasie rzeczywistym, co doprowadzi do nowego wglądu w funkcjonowanie mózgu i choroby neurologiczne.
Obrazowanie in vivo aktywności neuronalnej w pierwotnej korze wzrokowej myszy. Po lewej stronie mapa neuronów o wysokiej rozdzielczości; zapis średniej i szybkiej aktywności neuronowej zarejestrowany przez mikroskop dwufotonowy z adaptacyjnym schematem wzbudzenia linii; po prawej, wyodrębnione ślady aktywności neuronalnej reprezentatywnych neuronów. Źródło: Shu Guo i Yunyang Li, Uniwersytet Kalifornijski w Davis
Dynamika neuronowa w czasie rzeczywistym i funkcja mózgu
„Nasz nowy mikroskop idealnie nadaje się do badania dynamiki sieci neuronowych w czasie rzeczywistym, co ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia podstawowych funkcji mózgu, takich jak uczenie się, pamięć i podejmowanie decyzji” – powiedział kierownik zespołu badawczego Weijian Yang z Uniwersytetu Kalifornijskiego , Davisa. „Na przykład badacze mogliby wykorzystać go do obserwacji aktywności neuronów podczas uczenia się, aby lepiej zrozumieć komunikację i interakcję między różnymi neuronami podczas tego procesu”.
W Optykaczasopiśmie Optica Publishing Group poświęconym istotnym badaniom, naukowcy opisują nowy dwufotonowy mikroskop fluorescencyjny, który wykorzystuje nowy adaptacyjny schemat próbkowania i zastępuje tradycyjne oświetlenie punktowe oświetleniem liniowym. Pokazują, że nowa metoda umożliwia obrazowanie in vivo aktywności neuronów w korze myszy i umożliwia obrazowanie z szybkością dziesięciokrotnie większą niż tradycyjna mikroskopia dwufotonowa, a jednocześnie zmniejsza moc lasera oddziałującego na mózg ponad dziesięciokrotnie.
„Udostępniając narzędzie umożliwiające obserwację aktywności neuronów w czasie rzeczywistym, naszą technologię można wykorzystać do badania patologii chorób na najwcześniejszych etapach” – powiedział Yunyang Li, pierwszy autor artykułu. „Może to pomóc naukowcom lepiej zrozumieć i skuteczniej leczyć choroby neurologiczne, takie jak choroba Alzheimera, Parkinsona i epilepsja”.
Szybkie obrazowanie przy mniejszych uszkodzeniach
Mikroskopia dwufotonowa umożliwia obrazowanie głęboko rozpraszającej tkanki, takiej jak mózg myszy, poprzez skanowanie małego punktu światła na całym obszarze próbki w celu wzbudzenia fluorescencji, a następnie zbieranie powstałego sygnału punkt po punkcie. Proces ten jest następnie powtarzany w celu przechwycenia każdej klatki obrazu. Chociaż mikroskopia dwufotonowa zapewnia szczegółowe obrazy, jest powolna i może uszkodzić tkankę mózgową.
W nowej pracy badacze chcieli przezwyciężyć te ograniczenia poprzez nową strategię pobierania próbek. Zamiast używać punktu świetlnego, używają krótkiej linii światła do oświetlania określonych części mózgu, w których aktywne są neurony. Umożliwia to jednoczesne wzbudzenie i zobrazowanie większego obszaru, co znacznie przyspiesza proces obrazowania. Ponadto, ponieważ obrazuje tylko interesujące neurony – a nie tło lub nieaktywne obszary – całkowita energia świetlna osadzona w tkance mózgowej jest zmniejszona, zmniejszając ryzyko potencjalnych uszkodzeń. Nazwali ten schemat próbkowaniem adaptacyjnym.
Zaawansowane techniki obrazowania celowanego
Naukowcy osiągnęli to za pomocą cyfrowego urządzenia mikromirrorowego (DMD) – chipa zawierającego tysiące maleńkich lusterek, którymi można indywidualnie sterować – do dynamicznego kształtowania i sterowania wiązką światła, umożliwiając precyzyjne nakierowanie na aktywne neurony. Osiągnęli próbkowanie adaptacyjne, włączając i wyłączając poszczególne piksele DMD w sposób dopasowujący się do struktury neuronalnej obrazowanej tkanki mózgowej.
Naukowcy opracowali także technikę wykorzystania DMD do naśladowania skanowania punktowego o wysokiej rozdzielczości. Umożliwia to rekonstrukcję obrazu o wysokiej rozdzielczości na podstawie szybkich skanów, co pozwala na szybką identyfikację interesujących obszarów neuronalnych. Ma to kluczowe znaczenie dla późniejszego obrazowania z dużą szybkością przy zastosowaniu wzbudzenia krótkiej linii i adaptacyjnego schematu próbkowania.
„Te osiągnięcia – każdy z osobna kluczowy – łączą się, tworząc potężne narzędzie do obrazowania, które znacznie zwiększa możliwości badania dynamicznych procesów neuronowych w czasie rzeczywistym, przy zmniejszonym ryzyku dla żywej tkanki” – powiedział Yang. „Co ważne, naszą technikę można łączyć z innymi technikami, takimi jak multipleksowanie wiązek i zdalne ogniskowanie, aby jeszcze bardziej zwiększyć prędkość obrazowania lub uzyskać wolumetryczne obrazowanie 3D”.
Przechwytywanie aktywności neuronowej z niespotykaną szybkością
Naukowcy zademonstrowali nowy mikroskop, wykorzystując go do obrazowania sygnałów wapniowych – wskaźników aktywności neuronalnej – w żywej tkance mózgowej myszy. System przechwytywał te sygnały z częstotliwością 198 Hz, czyli znacznie szybciej niż tradycyjne mikroskopy dwufotonowe i wykazuje zdolność do monitorowania szybkich zdarzeń neuronowych, które mogłyby zostać przeoczone wolniejszymi metodami obrazowania.
Wykazali także, że technika adaptacyjnego wzbudzania linii w połączeniu z zaawansowanymi algorytmami obliczeniowymi umożliwia wyizolowanie aktywności poszczególnych neuronów. Jest to ważne dla dokładnej interpretacji złożonych interakcji neuronowych i zrozumienia funkcjonalnej architektury mózgu.
Przyszłe ulepszenia i zastosowania
Następnie naukowcy pracują nad zintegrowaniem możliwości obrazowania napięcia z mikroskopem, aby uchwycić bezpośredni i niezwykle szybki odczyt aktywności neuronowej. Planują także wykorzystać nową metodę do rzeczywistych zastosowań w neuronauce, takich jak obserwacja aktywności neuronów podczas uczenia się i badanie aktywności mózgu w stanach chorobowych. Ponadto mają na celu poprawę przyjazności dla użytkownika mikroskopu i zmniejszenie jego rozmiaru, aby zwiększyć jego użyteczność w badaniach neurologicznych.
Odniesienie: „Szybka mikroskopia dwufotonowa z adaptacyjnym wzbudzeniem linii” Y. Li, S. Guo, B. Mattison, J. Hu, KNM Man, W. Yang, 15 sierpnia 2024 r., Optyka.
DOI: 10.1364/OPTICA.529930
