Новый миниатюрный микроскоп позволяет учёным наблюдать и контролировать клетки мозга во время естественного движения

Фото из открытых источников

Исследователи из Университета Колорадо в Аншутце и Университета Колорадо в Боулдере разработали миниатюрный микроскоп, который позволяет учёным наблюдать и активировать отдельные клетки мозга во время естественного движения — достижение, которое может ускорить исследования того, как мозг контролирует поведение, одновременно углубляя понимание неврологических заболеваний.

«Эти миниатюрные микроскопы всё чаще используются для изучения нейронных основ поведения свободно движущихся животных», — сказала старший автор исследования, доктор философии Эмили Гибсон, доцент биомедицинской инженерии в CU Anschutz. «Этот новый микроскоп позволяет получать более глубокое проникновение и получать более высокое разрешение изображения мозга. Важно, что он также может возбуждать отдельные нейроны с помощью оптогенетики.» Исследование было опубликовано в журнале Optica.

Микроскоп, способный на оба варианта

Новое устройство, Opto2P-FCM, сочетает высокоразрешающую визуализацию мозга с целенаправленной световой стимуляцией в лёгком микроскопе, установленном на голове. В отличие от предыдущих систем миниатюрной визуализации, эта новая технология позволяет исследователям одновременно контролировать и манипулировать активностью определённых нейронов, предоставляя беспрецедентный взгляд на функционирование нейронных цепей.

«Этот микроскоп меняет правила игры», — сказала соавтор исследования Джульет Гопинат, доктор философии, профессор электротехники, компьютерной и энергетической инженерии и физики в CU Boulder. «Возможность продемонстрировать современный прибор для считывания и фотостимуляции нейронов — это потрясающе.»

Она отметила, что возможность изучать нейроны с помощью такого инструмента «может привести к будущим прорывам в области неврологических заболеваний и расстройств».

Инженерия на пяти граммах

Соавтор Мо Зохраби, доктор философии и старший научный сотрудник CU Boulder, сказал, что команда изначально считала невозможным создать такую вещь «на основе допусков 3D-принтера и оптики».

«Создать сложное оптическое устройство весом всего 5 граммов (0,2 унции) было сложно. Каждый компонент должен был быть учтен до минимальной толерантности», — сказал соавтор Грегори Футия, доктор философии и старший научный сотрудник CU Anschutz. «Чтобы выровнять все эти маленькие оптики, потребовалось тщательное механическое проектирование и итерация.»

Он отметил, что работа была «междисциплинарным проектом, возглавляемым командой инженеров, физиков и нейроучёных, тесно работавших над проектом».

Преодоление ограничений старых систем

Десятилетиями двухфотонная микроскопия считалась золотым стандартом для получения детальных изображений живой мозговой ткани. Но обычно требуется оставаться неподвижными, что ограничивает возможности исследователей изучать, как мозг функционирует в повседневной жизни.

Хотя миниатюрные микроскопы помогли преодолеть некоторые из этих проблем, они часто жертвовали качеством изображения или не могли точно стимулировать отдельные нейроны.

Эта инновация преодолевает эти ограничения благодаря новому двупутному оптическому дизайну. Один путь предназначен для получения чётких изображений высокого разрешения, а второй обеспечивает точно вырисованный свет, активирующий выбранные нейроны, не мешая визуализации. Разделение этих двух функций позволяет оптимизировать каждую отдельно, что приводит к более чётким изображениям и более точному управлению по сравнению с предыдущими миниатюрными системами.

«Эта платформа даёт нейроучёным совершенно новый способ исследовать, как определённые группы нейронов работают вместе для формирования поведения», — сказал Гибсон. «Это открывает дверь для экспериментов, которые раньше были очень сложны — или невозможны — для проведения.»

Более ясный путь для исследований заболеваний

Исследователи отметили, что эта технология может стать важным инструментом для ученых, изучающих расстройства, вызванные нарушениями мозговых цепей, включая болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и эпилепсию. Позволяя исследователям наблюдать и управлять отдельными нейронами в одном эксперименте, система может помочь определить, как работают здоровые мозговые цепи и как болезни это меняют.

Текущее устройство является прототипом, но авторы исследования уже работают над будущими версиями, которые будут меньше, легче и быстрее, а также с ещё большим обзором.

«Понимание того, как работает мозг, требует большего, чем просто наблюдение за активацией нейронов — нам также нужна возможность избирательно активировать определённые клетки и наблюдать, как остальная часть сети реагирует», — сказал Гибсон. «Наша новая система даёт исследователям обе возможности в компактном устройстве, предназначенном для изучения мозговой активности во время естественного поведения.»