Дослідники з Університету Колорадо Аншутц та Університету Колорадо в Боулдері розробили мініатюрний мікроскоп, що дозволяє вченим спостерігати та активувати окремі клітини мозку під час природного руху. Це може прискорити дослідження того, як мозок контролює поведінку, і поглибити розуміння неврологічних захворювань.
«Ці мініатюрні мікроскопи все частіше використовуються для вивчення нейронних основ поведінки тварин, що вільно пересуваються», — сказала старший автор дослідження, доктор філософії Емілі Гібсон, доцент кафедри біомедичної інженерії в Університеті Колорадо Аншутц. «Цей новий мікроскоп дозволяє отримувати глибші та високоякісні зображення мозку. Що важливо, він також може порушувати окремі нейрони за допомогою оптогенетики.
Дослідження було опубліковано у журналі Optica.
Мікроскоп, здатний на обидві дії
Новий пристрій, Opto2P-FCM, поєднує в собі високороздільну візуалізацію мозку з цілеспрямованою світловою стимуляцією в легкому, що закріплюється на голові мікроскопі. На відміну від попередніх мініатюрних систем візуалізації, нова технологія дозволяє дослідникам одночасно відстежувати та маніпулювати активністю окремих нейронів, забезпечуючи безпрецедентне уявлення про функціонування нейронних ланцюгів.
"Цей мікроскоп змінює правила гри", - сказала співавтор дослідження Джульєт Гопінат, доктор філософії, професор електротехніки, обчислювальної техніки, енергетики та фізики в Університеті Колорадо в Боулдері. "Можливість продемонструвати сучасний прилад для зчитування та фотостимуляції нейронів - це приголомшливо."
Вона наголосила, що можливість вивчати нейрони за допомогою такого інструменту "може призвести до майбутніх проривів у вивченні неврологічних захворювань та розладів".
Інженерний витвір вагою всього п'ять грамів
Співавтор дослідження Мо Зорабі, доктор філософії, старший науковий співробітник Університету Колорадо в Боулдері, сказав, що команда спочатку вважала за неможливе створення такого пристрою "через допуски 3D-принтера та оптики".
"Створення складного оптичного пристрою вагою лише 5 грамів (0,2 унції) було складним завданням. Кожен компонент мав бути врахований з точністю до найменших допусків", — сказав співавтор дослідження Грегорі Футія, доктор філософії, старший науковий співробітник Університету Колорадо в Аншутці. "Вирівнювання всіх цих дрібних оптичних елементів зажадало ретельного механічного проєктування та ітерацій."
Він зазначив, що робота була "міждисциплінарним проєктом, який очолює команда інженерів, фізиків та нейробіологів, які тісно співпрацювали над проєктом".
Подолання обмежень старих систем
Протягом десятиліть двофотонна мікроскопія вважалася золотим стандартом отримання детальних зображень живої тканини мозку. Однак зазвичай це вимагає від випробуваних зразків нерухомого стану, що обмежує можливості дослідників вивчати функціонування мозку у повсякденному житті.
Хоча мініатюрні мікроскопи допомогли подолати деякі з цих проблем, вони часто жертвували якістю зображення або не мали можливості точно стимулювати окремі нейрони.
Це нововведення долає ці обмеження завдяки новій двоканальній оптичній конструкції. Один канал призначений для отримання чітких зображень високої роздільної здатності, а другий забезпечує точно спрямоване світло, яке активує вибрані нейрони, не заважаючи візуалізації. Поділ двох функцій дозволяє оптимізувати кожну з них незалежно, що призводить до чіткіших зображень і більш точного управління, ніж у попередніх мініатюрних системах.
"Ця платформа дає нейробіологам абсолютно новий спосіб дослідити, як певні групи нейронів працюють разом, щоб виробляти поведінку", - сказав Гібсон. "Вона відчиняє двері для експериментів, які раніше було дуже складно - або неможливо - провести."
Яскравіший шлях для досліджень захворювань
Дослідники заявили, що ця технологія може стати важливим інструментом для вчених, які вивчають розлади, спричинені порушенням мозкових ланцюгів, включаючи хворобу Альцгеймера, хворобу Паркінсона та епілепсію. Дозволяючи дослідникам спостерігати й маніпулювати окремими нейронами в тому самому експерименті, система може допомогти визначити, як функціонують здорові мозкові ланцюги і як хвороба змінює їх.
Нинішній пристрій є прототипом, але автори дослідження вже працюють над майбутніми версіями, які будуть меншими, легшими та швидшими, пропонуючи при цьому ще більше поле зору.
"Для розуміння того, як працює мозок, потрібно більше, ніж просто спостереження за роботою нейронів - нам також необхідна можливість вибірково активувати певні клітини й спостерігати за тим, як реагує решта мережі", - сказав Гібсон. "Наша нова система надає дослідникам обидві ці можливості в компактному пристрої, призначеному для вивчення мозкової активності під час природної поведінки."
