Высокоскоростной микроскоп фиксирует мимолетные сигналы мозга

Новые методы позволяют отслеживать изменения напряжения в миллисекундах

Электрические и химические сигналы постоянно вспыхивают в нашем мозгу, 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», – сказала ведущий исследователь На Джи, 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 теперь могут синхронизировать электрические сигналы, распространяющиеся через мозг, и в конечном итоге искать проблемы передачи, связанные с болезнями.

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.

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 изменении напряжения в миллисекундах. 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. «Мы никогда не смотрели на то, как болезнь изменится с подпороговым вводом. Теперь у нас есть инструмент для решения этой проблемы».

Джи и ее коллеги сообщили о новой технике визуализации в мартовском выпуске журнала Nature Methods. 

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

Синапсы – это места, где нейротрансмиттеры высвобождаются одним нейроном для возбуждения или подавления другого. Одна из целей Джи 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», – сказала 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, который становится флуоресцентным, когда клеточная мембрана деполяризуется, когда сигнал напряжения распространяется 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 2D-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 2D-сканирований одного мозгового слоя каждую секунду.

Используя двухфотонный флуоресцентный микроскоп с очень большим полем зрения, исследователи из Калифорнийского университета в Беркли изобразили нейроны (зеленые) в большом куске коры головного мозга живой мыши. Темные ветви – кровеносные сосуды. 

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 трехмерные 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 для создания трехмерного изображения. 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.

DOI: 10.1038 / s41592-020-0762-7

Магазин оптической техники: https://altair.ru