Высокоскоростной микроскоп фиксирует мимолетные сигналы мозга

Электрические и химические сигналы постоянно вспыхивают в нашем мозгу, когда мы движемся по миру, но для захвата их мимолетных путей потребуется высокоскоростная камера и окно в мозг.

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли создали такую ​​камеру: микроскоп, который может отображать мозг бдительной мыши 1000 раз в секунду, впервые регистрируя прохождение миллисекундных электрических импульсов через нейроны.

«Это действительно захватывающе, потому что теперь мы можем делать то, что люди не могли делать раньше», — сказал ведущий исследователь На Цзи, доцент кафедры физики и молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета в Беркли.

Новая технология визуализации объединяет двухфотонную флуоресцентную микроскопию и полностью оптическое лазерное сканирование в современном микроскопе, который может отображать двумерный срез через неокортекс мозга мыши до 3000 раз в секунду. Это достаточно быстро, чтобы отслеживать электрические сигналы, проходящие через мозговые цепи.

С помощью этой техники неврологи, такие как Джи, теперь могут синхронизировать электрические сигналы, распространяющиеся через мозг, и в конечном итоге искать проблемы передачи, связанные с болезнью.

Одним из ключевых преимуществ этого метода является то, что он позволит нейробиологам отследить от сотен до десятков тысяч входных данных, которые любая клетка мозга получает от других клеток мозга, включая те, которые не запускают клетку. Эти подпороговые входы — либо возбуждающие, либо подавляющие нейрон — постепенно складываются в крещендо, которое запускает клетку для запуска потенциала действия, передавая информацию другим нейронам.

От электродов до флуоресцентного изображения

Типичный метод записи электрического возбуждения в головном мозге с помощью электродов, встроенных в ткань, обнаруживает только вспышки от нескольких нейронов при прохождении миллисекундных изменений напряжения. Новая техника может точно определить действующий нейрон и следовать пути сигнала, миллисекунды за миллисекундами.

«При болезнях происходит много вещей, даже до того, как вы заметите, как запускаются нейроны, как и все подпороговые события», — говорит Джи, член Института нейробиологии имени Хелен Уиллс из Беркли. «Мы никогда не смотрели на то, как болезнь изменится с подпороговым вводом. Теперь у нас есть ручка для решения этой проблемы».

Джи и ее коллеги сообщили о новой технике визуализации в мартовском выпуске журнала Методы природы, В том же выпуске она и другие коллеги также опубликовали статью, демонстрирующую другую технику для визуализации сигналов кальция одновременно по большей части целого полушария мозга мыши, в которой используется «мезоскоп» с широким полем зрения с двумя -фотонная визуализация и сканирование по Бесселю. Концентрации кальция связаны с изменениями напряжения, так как сигналы передаются через мозг.

«Это первый случай, когда кто-то в трех измерениях показал нейронную активность такого большого объема мозга, который намного превосходит возможности электродов», — сказал Джи. «Кроме того, наш подход к визуализации дает нам возможность разрешать синапсы каждого нейрона».

Синапсы — это места, где нейротрансмиттеры высвобождаются одним нейроном для возбуждения или подавления другого.

Одна из целей Цзи состоит в том, чтобы понять, как нейроны взаимодействуют через большие области мозга и, в конечном итоге, обнаружить больные контуры, связанные с нарушениями головного мозга.

«При заболеваниях головного мозга, включая нейродегенеративные заболевания, заболевают не только один нейрон или несколько нейронов», — сказал Джи. «Итак, если вы действительно хотите понять эти болезни, вы хотите иметь возможность наблюдать как можно больше нейронов в разных областях мозга. С помощью этого метода мы можем получить гораздо более глобальную картину того, что происходит в мозге». »

Двухфотонная микроскопия

Джи и ее коллеги могут заглянуть в мозг благодаря зондам, которые могут быть прикреплены к определенным типам клеток и становятся флуоресцентными при изменении окружающей среды. Например, для отслеживания изменений напряжения в нейронах ее команда использовала датчик, разработанный соавтором Майкла Лином из Стэнфордского университета, который становится флуоресцентным, когда клеточная мембрана деполяризуется при распространении сигнала напряжения вдоль клеточной мембраны.

Затем исследователи освещают эти флуоресцентные зонды двухфотонным лазером, который заставляет их излучать свет или флуоресцировать, если они были активированы. Излучаемый свет захватывается микроскопом и объединяется в двухмерное изображение, которое показывает местоположение изменения напряжения или присутствие определенного химического вещества, такого как сигнальный ион, кальций.

Быстро сканируя лазер на головном мозге, подобно фонарику, который постепенно обнаруживает сцену в затемненной комнате, исследователи могут получить изображения одного тонкого слоя неокортекса. Команда смогла проводить от 1000 до 3000 полных двухмерных сканирований одного слоя мозга каждую секунду, заменив одно из двух вращающихся зеркал лазера на оптическое зеркало — метод, называемый задержкой с усилением углового чирпа в свободном пространстве (FACED). , FACED был разработан соавтором статьи Кевином Циа в Университете Гонконга.

Визуализация в килогерцах показала не только изменения напряжения в миллисекундах, но и более медленно изменяющиеся концентрации кальция и глутамата, нейромедиатора, на глубине 350 микрон (одна треть миллиметра) от поверхности мозга.

Чтобы получить быстрые 3-D изображения движения кальция через нейроны, она объединила двухфотонную флуоресцентную микроскопию с другой техникой, фокусирующим сканированием Бесселя. Чтобы избежать трудоемких сканирований каждого слоя неокортекса толщиной в микрон, фокус возбуждения двухфотонного лазера имеет форму от точки до маленького цилиндра, как карандаш, длиной около 100 микрон. Этот карандашный луч затем сканируется на шести различных глубинах через мозг, и флуоресцентные изображения объединяются, чтобы создать трехмерное изображение. Это позволяет проводить более быстрое сканирование с небольшой потерей информации, поскольку в каждом томе, подобном карандашу, обычно в каждый момент времени активен только один нейрон. Мезоскоп может отображать область диаметром около 5 мм — почти четверть одного полушария мозга мыши — и глубиной 650 микрон, почти на всю глубину неокортекса, который участвует в сложной обработке информации.

«Используя обычные методы, мы должны были бы отсканировать 300 изображений, чтобы покрыть этот объем, но с вытянутым лучом, который сворачивает объем в одну плоскость, нам нужно отсканировать только шесть изображений, что означает, что теперь мы можем иметь достаточно быстрый объемный Оцените его кальциевую активность «, — сказал Джи.

Сейчас Джи работает над объединением четырех методов — двухфотонной флуоресцентной микроскопии, фокусировки пучка Бесселя, FACED и адаптивной оптики — для достижения высокоскоростных и высокочувствительных изображений в глубине неокортекса, толщина которого составляет около 1 миллиметра.

«Чтобы понять мозг, я мечтаю объединить эти методы микроскопии для получения субмикронного пространственного разрешения, чтобы мы могли видеть синапсы, миллисекундное разрешение для визуализации напряжения и видеть все это глубоко в мозге», — добавила она , «Что является сложным и сложным в мозге, так это то, что если вы делаете только один оптический разрез, вы не получите полной картины, потому что нейронная сеть очень трехмерная».