Крошечный имплантируемый инструмент для светового изображения мозговой активности

Ученые используют технологию, называемую световой флуоресцентной визуализацией, для визуализации активности мозга в 3D с высокой скоростью и контрастом, - пишет eurekalert.org со ссылкой на Neurophotonics.

Инструменты, которые позволяют нейробиологам регистрировать и количественно определять функциональную активность живого мозга, пользуются большим спросом. Традиционно исследователи использовали такие методы, как функциональная магнитно-резонансная томография, но этот метод не может регистрировать нервную активность с высоким пространственным разрешением или у движущихся объектов. В последние годы технология, называемая оптогенетикой, показала значительный успех в регистрации нейронной активности животных в режиме реального времени с разрешением до отдельных нейронов. Оптогенетические инструменты используют свет для управления нейронами и записи сигналов в тканях, которые генетически модифицированы для экспрессии светочувствительных и флуоресцентных белков. Однако существующие технологии визуализации световых сигналов от мозга имеют недостатки в размере, скорости визуализации или контрастности, которые ограничивают их применение в экспериментальной нейробиологии.

Технология, называемая световой флуоресцентной визуализацией, перспективна для визуализации активности мозга в 3D с высокой скоростью и контрастом (преодолевая многочисленные ограничения других технологий визуализации). В этом методе тонкий слой лазерного света (световой лист) направляется через интересующую область ткани мозга, и репортеры флуоресцентной активности в тканях мозга реагируют испусканием сигналов флуоресценции, которые могут обнаружить микроскопы. Сканирование светового листа в ткани позволяет получать высокоскоростные, высококонтрастные, объемные изображения активности мозга.

В настоящее время использование световых флуоресцентных изображений головного мозга с неподвижными организмами (такими как мышь) затруднено из-за размера необходимого оборудования. Чтобы провести эксперименты с неподвижными животными, а в будущем и со свободно передвигающимися животными, исследователям в первую очередь потребуется миниатюризировать многие из компонентов.

Ключевым компонентом миниатюризации является сам генератор световых листов, который необходимо вставить в мозг и, следовательно, он должен быть как можно меньше, чтобы избежать смещения слишком большого количества мозговой ткани. В новом исследовании, опубликованном в Neurophotonics, международная группа исследователей из Калифорнийского технологического института (США), Университета Торонто (Канада), University Health Network (Канада), Института физики микроструктуры Макса Планка (Германия) и Advanced Компания Micro Foundry (Сингапур) разработала миниатюрный генератор световых лучей или фотонный нейронный зонд, который можно имплантировать в мозг живого животного.

Исследователи использовали нанофотонную технологию для создания ультратонких фотонных нейронных зондов на основе кремния, которые излучают несколько адресуемых тонких слоев света толщиной <16 микрометров на расстояниях 300 микрометров в свободном пространстве. При тестировании на тканях мозга мышей, которые были генетически сконструированы для экспрессии флуоресцентных белков в своем мозгу, зонды позволили исследователям получать изображения областей размером 240 × 490 мкм. Более того, уровень контрастности изображения был выше, чем у альтернативного метода визуализации, называемого эпифлуоресцентной микроскопией.

Описывая важность работы своей команды, ведущий автор исследования Уэсли Захер говорит: «Эта новая технология имплантируемого фотонного нейронного зонда для генерации световых слоев в мозгу позволяет обойти многие ограничения, которые ограничивают использование флуоресцентной визуализации световых листов в экспериментальной нейробиологии. Мы прогнозируем, что эта технология приведет к новым вариантам световой микроскопии для глубокой визуализации мозга и поведенческих экспериментов со свободно движущимися животными».

Такие варианты были бы очень полезны для нейробиологов, стремящихся понять работу мозга.

[Фото: eurekalert.org]