Эпилептические приступы могут проноситься по мозгу за считанные секунды, что затрудняет их детальную фиксацию. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали систему визуализации с помощью светового листа высокого разрешения, которая достаточно быстро позволяет получить трехмерное изображение распространения эпилептического припадка в мозге личинки данио-рерио.
«Мы разработали световой микроскоп, который позволяет быстро получать объемные изображения с коррекцией аберраций — несовершенств, возникающих при формировании изображения в микроскопе», — рассказал руководитель исследовательской группы Питер Кнер из Университета Джорджии. «Большинство изображений судорожных припадков у рыбок данио-рерио представляют собой двумерные снимки. Наша система позволяет получать трехмерные изображения с высоким разрешением в большем объеме, чем это было возможно ранее».
В журнале Biomedical Optics Express исследователи показывают, что новая система микроскопии может захватывать объекты размером до 499 × 499 × 150 микрон3 со скоростью 4 объекта в секунду с разрешением, близким к дифракционному пределу. С помощью этой системы ученые наблюдали за распространением судорог по нервной системе личинок данио, которые часто используются в нейробиологических исследованиях.
«Детальная визуализация может дать новое представление о механизмах возникновения и распространения эпилептических припадков, что поможет в разработке более эффективных методов лечения, — говорит Кнер. — В более широком смысле этот подход может улучшить понимание работы мозга, что поможет в лечении различных заболеваний и расстройств».
Новая работа была начата с целью понять, как судороги распространяются по мозгу и как на этот процесс влияет ген gad1b. Этот ген помогает контролировать нейромедиатор ГАМК, который важен для развития мозга и передачи сигналов. После использования двумерной световой микроскопии для фиксации судорожной активности у обычных рыбок данио и рыбок данио, у которых отсутствует ген gad1b, исследователи захотели визуализировать, как эти процессы протекают в мозге в трехмерном пространстве.
В методе светового листа для освещения образца сбоку используется тонкий световой слой, что значительно снижает уровень внефокального света по сравнению с широкопольной микроскопией. Кроме того, новый метод намного быстрее и менее фототоксичен, чем, например, конфокальная микроскопия, которая также блокирует внефокальное освещение.
В предыдущей работе исследователи создали систему светового листа с большим полем зрения и адаптивной оптикой без сенсора — подход, при котором оптические коррекции рассчитываются непосредственно на основе измерений качества изображения. Однако системе требовалось около 1,75 секунды для получения одного необработанного объема данных, что недостаточно быстро для фиксации быстро меняющейся активности мозга в 3D.
Чтобы создать более быструю систему визуализации, исследователи использовали линзу с электрической настройкой для быстрого перемещения фокальной плоскости по образцу. Хотя это ускорило получение изображений, исследователям также пришлось разработать метод синхронизации адаптивной оптики с обновлением в миллисекундном масштабе с камерой и сканирующими компонентами микроскопа. Эти усовершенствования позволили добиться непрерывной высокоскоростной объемной визуализации без ущерба для качества изображения.
С помощью нового микроскопа исследователи наблюдали за распространением индуцированных судорог у личинок рыбок данио. Новая система непрерывно получала 600 изображений в течение 2,5 минут — в 7 раз быстрее, чем предыдущая.
Снимки рыбок показали, что судороги возникали в задней части мозга, распространялись вперед, к таламусу — области мозга, участвующей в обработке зрительной информации, — и затем постепенно утихали в течение десятков секунд.
Далее исследователи планируют использовать эту систему для визуализации большего количества образцов, в том числе рыбок данио, у которых отсутствует ген gad1b. Ученые также работают над методом прямого волнового зондирования для коррекции аберраций в образце данио, а не только в оптической системе.
