Двофотонний мікроскоп фіксує активність мозку в реальному часі

Дослідники розробили революційний двофотонний флуоресцентний мікроскоп, який фіксує нервову активність на високій швидкості та клітинній роздільній здатності, пропонуючи безпрецедентне розуміння роботи мозку. Цей новий підхід, який використовує зображення швидше та з меншою шкодою для тканин мозку, ніж традиційні методи, може змінити наше розуміння того, як нейрони спілкуються в реальному часі, потенційно призводячи до прориву в лікуванні неврологічних захворювань, таких як хвороба Альцгеймера та Паркінсона.

Прорив у високошвидкісній візуалізації мозку

Дослідники розробили новий двофотонний флуоресцентний мікроскоп, який фіксує високошвидкісні зображення нейронної активності з роздільною здатністю клітин. Завдяки отриманню зображень набагато швидше та з меншою шкодою для тканин мозку, ніж традиційна двофотонна мікроскопія, новий підхід може забезпечити більш чітке уявлення про те, як нейрони спілкуються в режимі реального часу, що призведе до нових уявлень про функції мозку та неврологічні захворювання.

Нейронна динаміка та функція мозку в реальному часі

«Наш новий мікроскоп ідеально підходить для вивчення динаміки нейронних мереж у режимі реального часу, що має вирішальне значення для розуміння основних функцій мозку, таких як навчання, пам’ять і прийняття рішень», — сказав керівник дослідницької групи Вейцзянь Ян з Каліфорнійського університету. , Девіс. «Наприклад, дослідники могли б використовувати його для спостереження за нейронною активністю під час навчання, щоб краще зрозуміти комунікацію та взаємодію між різними нейронами під час цього процесу».

У  Optica , журналі Optica Publishing Group для досліджень високого впливу, дослідники описують новий двофотонний флуоресцентний мікроскоп, який включає нову адаптивну схему вибірки та замінює традиційне точкове освітлення лінійним освітленням. Вони показують, що новий метод дозволяє in vivo отримати зображення нейронної активності в корі головного мозку миші та може отримувати зображення зі швидкістю, яка в десять разів перевищує швидкість традиційної двофотонної мікроскопії, а також зменшує потужність лазера на мозок більш ніж у десять разів.

«Надавши інструмент, який може спостерігати за активністю нейронів у режимі реального часу, наша технологія може бути використана для вивчення патології захворювань на самих ранніх стадіях», — сказав Юньян Лі, перший автор статті. «Це може допомогти дослідникам краще зрозуміти та ефективніше лікувати такі неврологічні захворювання, як хвороба Альцгеймера, Паркінсона та епілепсія».

Високошвидкісне зображення з меншими пошкодженнями

Двофотонна мікроскопія може отримати зображення глибоко в розсіюючій тканині, такій як мозок миші, шляхом сканування невеликої точки світла по всій площі зразка для збудження флуоресценції, а потім збирання отриманого сигналу точка за точкою. Потім цей процес повторюється для захоплення кожного кадру зображення. Хоча двофотонна мікроскопія забезпечує детальні зображення, вона повільна і може пошкодити тканину мозку.

У новій роботі дослідники мали на меті подолати ці обмеження за допомогою нової стратегії вибірки. Замість того, щоб використовувати точку світла, вони використовують коротку лінію світла, щоб висвітлити певні частини мозку, де активні нейрони. Це дає змогу одночасно охопити та отримати зображення більшої області, що значно прискорює процес отримання зображення. Крім того, оскільки він відображає лише цікаві нейрони, а не фон або неактивні області, загальна світлова енергія, що надходить у тканину мозку, зменшується, що знижує ризик потенційного пошкодження. Цю схему вони назвали адаптивною вибіркою.

Передові методи цільової візуалізації

Дослідники досягли цього за допомогою цифрового мікродзеркального пристрою (DMD) — чіпа, що містить тисячі крихітних дзеркал, якими можна індивідуально керувати — для динамічного формування та керування світловим променем, забезпечуючи точне націлювання на активні нейрони. Вони досягли адаптивної вибірки, вмикаючи та вимикаючи окремі пікселі DMD таким чином, щоб підлаштовуватися під структуру нейронів тканини мозку, що відображається.

Дослідники також розробили техніку використання DMD для імітації точкового сканування з високою роздільною здатністю. Це дозволяє реконструювати зображення високої роздільної здатності за допомогою швидкого сканування, забезпечуючи швидкий спосіб ідентифікації нейронних регіонів, які цікавлять. Це критично важливо для подальшого високошвидкісного зображення зі збудженням короткої лінії та адаптивною схемою вибірки.

«Ці розробки — кожна важлива сама по собі — об’єднуються, щоб створити потужний інструмент візуалізації, який значно покращує здатність вивчати динамічні нейронні процеси в режимі реального часу зі зниженим ризиком для живих тканин», — сказав Ян. «Важливо те, що нашу техніку можна комбінувати з іншими техніками, такими як мультиплексування променя та дистанційне фокусування, щоб ще більше збільшити швидкість зображення або отримати об’ємне 3D-зображення».

Захоплення нейронної активності з безпрецедентною швидкістю

Дослідники продемонстрували новий мікроскоп, використовуючи його для зображення кальцієвих сигналів — індикаторів нейронної активності — у живій тканині мозку миші. Система фіксувала ці сигнали зі швидкістю 198 Гц, що значно швидше, ніж традиційні двофотонні мікроскопи, і демонструє здатність відстежувати швидкі нейронні події, які були б пропущені повільнішими методами візуалізації.

Вони також показали, що адаптивна техніка збудження ліній у поєднанні з вдосконаленими обчислювальними алгоритмами дозволяє ізолювати активність окремих нейронів. Це важливо для точної інтерпретації складних нейронних взаємодій і розуміння функціональної архітектури мозку.

Майбутні вдосконалення та програми

Далі дослідники працюють над інтеграцією можливостей зображення напруги в мікроскоп, щоб фіксувати пряме та надзвичайно швидке зчитування нейронної активності. Вони також планують використовувати новий метод для реальних застосувань нейронауки, таких як спостереження за нервовою активністю під час навчання та вивчення активності мозку у хворобливих станах. Крім того, вони прагнуть покращити зручність використання мікроскопа та зменшити його розмір, щоб підвищити його корисність у нейронаукових дослідженнях.