Одна из главных задач нейробиологии в 21 веке – уловить эти сложные мерцающие паттерны нейронной активности, что является ключом к комплексному пониманию крупномасштабных взаимодействий всего мозга. Уловить эти стремительно летящие сигналы вживую было непростой задачей для нейробиологов и биомедицинских инженеров. Это потребовало бы проникновения в мозг высокоскоростного микроскопа, что до сих пор было невозможно.
Исследовательская группа во главе с доктором Кевином Циа, доцентом кафедры электротехники и электроники и директором программы бакалавриата биомедицинской инженерии Университета Гонконга (HKU); и профессор Джи На с факультета молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) предлагают новое решение со своим сверхвысокоскоростным микроскопом – двухфотонный флуоресцентный микроскоп, который успешно регистрирует миллисекундные электрические сигналы. в нейронах бдительной мыши.
Новый метод является минимально инвазивным для тестируемого животного по сравнению с традиционным методом, который требует введения электрода в ткань мозга. Это не только меньше повреждает нейроны, но также может определять отдельные нейроны и отслеживать их пути возбуждения, миллисекунда за миллисекундой.
Результат этой новаторской работы недавно был опубликован в академическом журнале Nature Methods. Проект финансировался Национальным институтом здравоохранения США.S.
В основе высокоскоростного микроскопа лежит инновационная технология под названием FACED (визуализация с задержкой углового чирпирования в свободном пространстве), разработанная ранее командой доктора Цая (примечание 1). FACED использует пару параллельных зеркал, которые генерируют поток лазерных импульсов для создания сверхбыстрого качающегося лазерного луча, по крайней мере, в 1000 раз быстрее, чем существующие методы лазерного сканирования.
В ходе эксперимента микроскоп проецировал луч охватывающего лазера на мозг мыши и каждую секунду делал от 1000 до 3000 полных 2D-сканирований одного слоя мозга мыши (неокортекса). Чтобы исследовать настоящие электрические сигналы, которые передаются между нейронами, команда вставила биосенсор (белковые молекулы), разработанный доктором Майклом Лином из Стэнфордского университета, в нейроны мозга мыши.
"Эти сконструированные белки будут светиться (или флуоресцировать) всякий раз, когда через нейроны проходит сигнал напряжения. Излучаемый свет затем обнаруживается микроскопом и преобразуется в двухмерное изображение, которое визуализирует места этих изменений напряжения », – сказал д-р Циа.
«Это действительно захватывающий результат, поскольку теперь мы можем заглянуть в нейронную активность, которая когда-то была скрыта, и могла дать фундаментальные ключи к пониманию функций мозга и, что более важно, болезней мозга», – добавил он.
Помимо электрических сигналов, команда также использовала микроскоп для захвата медленных химических сигналов в мозгу мыши, таких как нейротрансмиттер кальция и глутамата, на глубине до одной трети миллиметра от поверхности мозга.
Заметным преимуществом этого метода является возможность отслеживать сигналы, которые не запускают нейрон для возбуждения – слабые нейронные сигналы (называемые подпороговыми сигналами), которые часто трудно уловить и обнаружить, что также может произойти при многих болезненных состояниях. в мозгу, но все еще детально изучены из-за отсутствия высокоскоростной техники, подобной разработанной командой.
Другой важной особенностью новой техники является то, что она малоинвазивна.
Классический метод регистрации электрического разряда в головном мозге заключается в том, чтобы физически вживить или имплантировать электроды в ткани мозга. Однако такое физическое вторжение может вызвать повреждение нейронов и может обнаруживать нечеткие сигналы только от пары нейронов.
"На данный момент это единственная в своем роде технология, которая может определять активность отдельных нейронов живого мозга, изменяющую миллисекунды. Итак, это, я бы сказал, краеугольный камень исследований в области нейробиологии для более точного «декодирования» сигналов мозга."Доктор Циа сказал, что команда будет работать над улучшением возможностей микроскопа.
«Мы работаем над дальнейшим объединением других передовых методов микроскопии для получения изображений с более высоким разрешением, более широким обзором и более глубоким проникновением в мозг в неокортексе, который составляет около 1 миллиметра. Это позволит нам глубже проникнуть в мозг для лучшего и более полного понимания функций мозга." добавил он.