Імплантовані світлові зонди для точної візуалізації активності мозку

Зображення нейронних зондів під оптичним мікроскопом.

Інструменти, що дозволяють неврологам записувати і кількісно оцінювати функціональну активність живого мозку, користуються великим попитом. Дослідники давно вже використовують для цього функціональну магнітно-резонансну томографію, але цей метод не може записувати нейронну активність з високою просторовою роздільною здатністю або в рухомих об'єктах. В останні роки технологія, звана оптогенетикою, показала значні успіхи в записі нейронної активності у тварин в реальному часі. Оптогенетичні інструменти використовують світло для управління нейронами та реєстрації сигналів у тканинах, які генетично модифіковані для експресії світлочутливих і флуоресцентних білків. Тим не менш, існуючі технології візуалізації за допомогою отримання світлових сигналів від мозку мають недоліки в масштабі, а також швидкості і контрастності візуалізації, які обмежують можливості їх застосування в експериментальній нейронауці.

Технологія під назвою флуоресцентна площинна (light-sheet fluorescence) візуалізація демонструє перспективну можливість тривимірного запису активності мозку з високою швидкістю і контрастністю. У цій техніці тонкий «лист» лазерного випромінювання (світловий лист, тобто лазерний промінь, сфокусований таким чином, що виглядає в перерізі швидше плоским, ніж круглим; наприклад, за допомогою циліндричної лінзи) направляється в цікаву дослідника область мозкової тканини, а флуоресцентні випромінювачі активності в тканинах головного мозку реагують, відправляючи флуоресцентні сигнали, які можуть бути видимі в мікроскопі. Сканування світлового листа в тканині дозволяє отримати високошвидкісну, висококонтрастну, об'ємну візуалізацію активності мозку.

Наразі використання флуоресцентної візуалізації активності головного мозку в непрозорих організмах (наприклад, у мишей) ускладнене через розмір необхідного апарату. Щоб експерименти з непрозорими тваринами і, в майбутньому, тваринами, що вільно рухаються, стали можливими, дослідникам спочатку потрібно буде мініатюризувати багато компонентів.

У першу чергу вимагає мініатюризації сам генератор світлових листів, який добре б вбудувати безпосередньо в мозок, для чого він повинен бути якомога менше, щоб уникнути витіснення занадто великої кількості мозкової тканини. У новому дослідженні міжнародна команда вчених з Каліфорнійського технологічного інституту (California Institute of Technology), Університету Торонто (University of Toronto), Університетської мережі охорони здоров'я Канади (University Health Network), німецького Інституту фізики мікроструктури товариства Макса Планка (Marosx-Plank cuk)

Дослідники використовували нанофотонну технологію для створення ультратонких світлових нейронних зондів на основі кремнію, які випромінюють кілька тонких листів світла товщиною менше шістнадцяти мікрометрів, що поширюються у вільному просторі на 300 мікрометрів. При тестуванні в тканинах головного мозку мишей, які були генетично модифіковані для експресії флуоресцентних білків в їх мозку, зонди дозволяли дослідникам отримувати зображення областей розміром до 240 мкм 490 мкм. Крім того, рівень контрастності зображення був вищим, ніж при використанні альтернативного методу візуалізації, званого епіфлуоресцентною мікроскопією.

Автори роботи впевнені, що нові мережеві зонди, які імплантуються, дозволить обійти багато обмежень і призведуть до прориву в експериментальній нейрофізіології, зробивши можливою глибоку, точну і швидку візуалізацію процесів у мозку непрозорих тварин, які вільно рухаються.