Kai pelė tyrinėja savo aplinką, milijonai neuronų smegenyse suveikia sinchroniškai. Vienu metu tirti tik nedidelį poskyrį reikštų, kad medžiai pasiilgo miško, tačiau galingi mikroskopai, galintys vienu metu užfiksuoti visas pelės smegenis, yra per sunkūs, kad juos būtų galima montuoti ant judančios pelės.
Dabar paskelbtas naujas tyrimas Gamtos biomedicinos inžinerija pristato novatorišką šios problemos sprendimą: mikroskopą, kuris sveria tik JAV centą, tačiau gali užfiksuoti plačias smegenų veiklos sritis su precedento neturinčia raiška.
„Gebėjimas stebėti smegenis, kaip pelės elgiasi natūraliai, pavyzdžiui, socialiai sąveikauja ir grobį gaudo, pagerins mūsų supratimą apie tai, kaip visame smegenyse paskirstytas neuroaktyvumas yra susijęs su natūralistiniu elgesiu“, – sako tyrimui vadovavusi Rokfelerio universiteto Alipasha Vaziri.
Pelės dydžio mikroskopija
Didesni žinduoliai gali sutalpinti standartinius ant galvos tvirtinamus mikroskopus, o net žiurkės gali palaikyti apie 20 gramų arba aštuonis JAV centus sveriančias technologijas. Tačiau pelės, kurios yra pagrindiniai organizmų modeliai, norint suprasti, kaip veikia smegenys, yra daug mažesnės. Jiems pritaikyti mikroskopai turi sverti mažiau nei 3 gramus.
„Pastaraisiais metais matėme ant galvos tvirtinamų mikroskopų, skirtų pelėms, sprogimą, tačiau jie paprastai palaiko tik kelių šimtų mikrometrų matymo laukus korinio raiška, nes dėl didesnių matymo laukų projektavimo sudėtingumo atsiranda netvarus svorio bauda“, – sako Vaziri.
Esami modeliai, kurie yra pakankamai lengvi, kad pelės galėtų nešiotis, visada pažeidžia mikroskopo matymo lauką, skiriamąją gebą ir gylio diapazoną (arba jų derinį) ir yra linkę į judesio sukeltus artefaktus.
Ankstesni bandymai įveikti šį apribojimą buvo skirti tam, kad bet kokia jau egzistuojanti technologija svertų mažiau – pavyzdžiui, metalines dalis būtų pakeista plastikinėmis, išlaikant pagrindinę optinę mikroskopų konstrukciją (ypač tų, galinčių atvaizduoti didesnius matymo laukus), kuriuose yra sunkus. objektyvas sudaro didžiąją svorio dalį.
Vaziri sprendė šį iššūkį, kaip jis vadina „principiniu požiūriu“. Užuot stengęsis, kad sudėtingos sistemos objektyvu pagrįsta sistema svertų mažiau, jis paaiškino, kokie iš tikrųjų buvo šios technologijos tikslai: išspręsti didelės skiriamosios gebos kartografavimo problemą tarp 3D mėginio tūrio taškų ir 2D kameros paviršiaus taškų.
Atsižvelgdamas į tai, jis nusprendė sukurti lengvą sistemą, kuri atitiktų šiuos tikslus, nesijausdamas suvaržytas poreikio prisitaikyti prie vaizdą išsaugančio objektyvo sistemos.
„Visi naudojo šiuos kelių elementų sunkius lęšius ir bandė juos padaryti lengvesnius“, – sako Vaziri. „Užuot klausę, kaip padaryti objektyvus lengvesnius, išsprendėme atvirkštinę problemą ir ją apėjome, sukurdami strategiją be objektyvo ir išsivaduodami nuo nereikalingų suvaržymų, susijusių su vaizdo formavimu objektyvu.
Naujas mąstymas = naujas požiūris
Įveskite difrakcinius optinius elementus (DOE). Skirtingai nuo įprastų lęšių, kurių paviršius yra nuolat lenktas, kad būtų sukurtas sferinis bangos fronto kreivumas, DOE naudoja mikrostruktūras, kad manipuliuotų šviesa per difrakciją, leidžiančią tiksliai valdyti šviesos bangas. Jie yra kompaktiški, lengvi ir veiksmingi.
Atliekant mikroskopiją, tradicinė objektyvo funkcija yra objekto erdvėje esančius taškus atvaizduoti vaizdo plokštumoje (kaip fotoaparato jutiklis), užtikrinant, kad vaizdas būtų panašus į tikrąją sceną. Tačiau bandant suformuoti vis didesnio matymo lauko vaizdą, išlaikant skiriamąją gebą, dėl vieno objektyvo sukeltų klaidų (optinių aberacijų) reikia daugiau objektyvo elementų, todėl gaunamas sudėtingas objektyvo dizainas.
Naudodama DOE, „Vaziri“ laboratorija parodė, kad galima tiksliai nustatyti vietas tarp scenos ir jutiklio nesudarant vaizdo, o tada naudoti skaičiavimo metodus, kad būtų galima atkurti pradinę sceną.
Be didelio sudėtinio lęšio, kuris jį sveria, mini mikroskopas sveria tik 2,5 gramo ir leidžia užfiksuoti plačias pelės smegenų dalis per 3,6 x 3,6 mm2 matymo laukas su 4 μm šonine skiriamąja geba, 300 μm lauko gyliu ir 16 tūrių per sekundę įrašymo greičiu.
Ir dauguma jo dalių gali būti atspausdintos 3D arba naudojant nebrangius, vartotojams skirtus mobiliųjų telefonų kamerų jutiklius. „Jei laboratorijos yra suinteresuotos, jos galėtų lengvai sukurti šiuos mikroskopus už mažą kainą“, – sako Vaziri.
Ateities mini mikroskopo iteracijos gali apimti belaidį duomenų perdavimą (dabartinis modelis tiekiamas su laidais, kurie netrukdys vienai pelei, bet gali lengvai susipainioti stebint kelias peles, sąveikaujančias viena su kita), ir koregavimą. technologija, leidžianti stebėti smegenų sritis, esančias giliau žievėje.
„Sistema turi tam tikrų aukų ir nėra tokia naši kaip didesni mikroskopai“, – sako Vaziri. „Tačiau tai yra pagrindinė naujovė, kuri galėjo atsirasti tik iš naujo pažvelgus į problemą ir išsilaisvinus nuo suvokiamų suvaržymų“.