Исследователям удалось одновременно отслеживать 1 миллион различных нейронов в мозге мышей, что является для ученых впечатляющим шагом к тому, чтобы в один прекрасный день они смогли отслеживать очень сложную деятельность человеческого мозга.
Ключевым моментом является инновация, которую называют «микроскопией световых бусинок» (Light Beads Microscopy, LBM). Она улучшает современную двухфотонную микроскопию, используя лазеры для запуска флуоресценции живых клеток. Когда клетки засвечиваются, ученые могут видеть, как они движутся и взаимодействуют.
С помощью микроскопии LBM ученые могут получить скорость, масштаб и разрешение, необходимые для детального картирования мозга мыши по мере изменения нейронной активности. Почти одновременное отслеживание может длиться до тех пор, пока световые бусинки могут оставаться светящимися.
Схема микроскопии LBM. Сверхбыстрый импульс накачки делится на 30 копий, которые задерживаются во времени и фокусируются на разную глубину в образце, образуя столбец «световых бусинок». Самые ранние бусинки имеют более высокую энергию импульса и, таким образом, направляются в самые глубокие слои объема. Сканирование столбца дает образцы всего объема с номинальной частотой кадров микроскопа. Каждая бусинка отличается во времени, что позволяет дискретно по времени декодировать ее флуоресценцию и плоскость изнутри объема, из которого она была испущена. Фото: Alipasha Vaziri
«Понимание природы плотно взаимосвязанной сети мозга требует разработки новых методов визуализации, которые могут фиксировать активность нейронов в сильно разделенных областях мозга с высокой скоростью и разрешением в масштабе одной клетки», - говорит нейробиолог Алипаша Вазири из Университета Рокфеллера в Нью-Йорке.
«Нам необходимо одновременно захватить множество нейронов в отдаленных частях мозга с высоким разрешением. Эти параметры почти взаимоисключающие».
Другими словами, современные методы микроскопии должны выбирать между увеличением масштаба, чтобы получить достаточно деталей, и упущением всего, что происходит, или уменьшением масштаба, чтобы увидеть всю картину, и потерей некоторых более мелких деталей.
Микроскопия LBM способна преодолеть эти ограничения, устраняя мертвое время между лазерными импульсами - используя полость из зеркал, она разбивает каждый отдельный сильный импульс на 30 меньших субимпульсов разной силы, которые затем все могут достигать разной глубины, сохраняя при этом такой же уровень флуоресценции.
Это означает, что в одном импульсе можно визуализировать несколько глубин, что дает ученым более глубокий и более быстрый взгляд на происходящее. Ученые продемонстрировали метод одновременного отслеживания 1 миллиона нейронов в мозгу мыши.
Нейроактивность одного миллиона нейронов в мозге мыши. Фото: Alipasha Vaziri
«Нет веской причины, по которой мы не сделали этого пять лет назад», - говорит Вазири. «Это было бы возможно - микроскоп и лазерная технология существовали. Никто об этом не подумал».
С помощью микроскопии LBM ученые надеются отследить взаимодействия между сенсорными, моторными и зрительными областями мозга - не только у мышей, но и у других животных.
Интерпретация и понимание регистрируемой нейронной активности потребует еще одного шага вперед, но новое исследование продвигает идею о том, что возможно с помощью такого рода микроскопического анализа.
Чем лучше мы можем заглянуть внутрь мозга, тем лучше мы сможем понять, как он работает - будь то взаимодействие между отдельными нервными клетками или выяснение, какие части мозга каким чувствам и эмоциям соответствуют.
«Микроскопия LBM позволит нам исследовать биологические вопросы так, как это было невозможно раньше», - говорит Вазири.
Исследование опубликовано в журнале Nature Methods.
Источник: Science Alert / The Rockefeller University
