Smegenų gebėjimas mokytis kyla iš „plastiškumo“, kai neuronai nuolat redaguoja ir pertvarko mažyčius ryšius, vadinamus sinapsėmis, kuriuos jie sukuria su kitais neuronais, kad sudarytų grandines. Siekdami ištirti plastiškumą, neurologai siekia jį stebėti didele raiška visose ląstelėse, tačiau plastiškumas nelaukia, kol lėti mikroskopai neatsiliks, o smegenų audinys garsėja tuo, kad išsklaido šviesą ir daro vaizdus neryškius.
Įtrauktame popieriuje Mokslinės ataskaitosMIT inžinierių ir neuromokslininkų bendradarbiaujant aprašoma nauja mikroskopijos sistema, sukurta greitam, aiškiam ir dažnam gyvų smegenų vaizdavimui.
Sistema, vadinama „daugialiniu ortogoniniu skenavimo laiko fokusavimu“ (mosTF), veikia nuskaitydama smegenų audinį šviesos linijomis statmenomis kryptimis. Kaip ir kitose gyvosios smegenų vaizdavimo sistemose, kurios remiasi „dviejų fotonų mikroskopija“, ši skenavimo šviesa „sužadina“ fotonų emisiją iš smegenų ląstelių, kurios buvo sukurtos taip, kad stimuliuojamos fluorescuotų.
Naujoji sistema komandos bandymų metu pasirodė esanti aštuonis kartus greitesnė už dviejų fotonų taikiklį, kuris eina taškas po taško, ir keturis kartus geresnis signalo ir fono santykis (gaunamo vaizdo aiškumo matas) nei dviejų. -fotonų sistema, kuri tiesiog nuskaito viena kryptimi.
„Stebėti greitus grandinės struktūros pokyčius gyvųjų smegenų kontekste tebėra iššūkis“, – sakė bendraautorių Elly Nedivi, William R. (1964) ir Linda R. Jaunoji Neurologijos profesorė Picowerio mokymosi ir atminties institute bei MIT. Biologijos ir Smegenų bei Kognityvinių mokslų katedros.
„Nors dviejų fotonų mikroskopija yra vienintelis metodas, leidžiantis didelės raiškos vizualizuoti sinapses, esančias giliai išsibarsčiusiuose audiniuose, pavyzdžiui, smegenyse, reikalingas taškas po taško nuskaitymas vyksta mechaniškai lėtai. MostTF sistema žymiai sumažina nuskaitymo laiką, neprarandant skiriamosios gebos.”
Nuskaityti visą pavyzdžio eilutę iš esmės yra greičiau nei nuskaityti tik vieną tašką vienu metu, tačiau tai padidina sklaidą. Siekdamos valdyti tą sklaidą, kai kurios sferos sistemos tiesiog išmeta išsklaidytus fotonus kaip triukšmą, bet tada jie prarandami, sakė pagrindinis autorius Yi Xue, UC Davis docentas ir buvęs magistrantas atitinkamo autoriaus Peter TC So, profesoriaus, laboratorijoje. mechaninė inžinerija ir biologinė inžinerija MIT.
Naujesnės vienos linijos ir mosTF sistemos sukuria stipresnį signalą (taip išsprendžia mažesnius ir silpnesnius stimuliuojamų neuronų bruožus), algoritmiškai priskirdamos išsklaidytus fotonus atgal į jų kilmę. Dviejų dimensijų vaizde šis procesas yra geriau atliktas naudojant informaciją, gautą naudojant dvimatę, statmenos krypties sistemą, tokią kaip mostTF, nei naudojant vienmatę vienos krypties sistemą, sakė Xue.
„Mūsų sužadinimo šviesa yra linija, o ne taškas – labiau panašus į šviesos vamzdelį, o ne į lemputę, tačiau rekonstrukcijos procesas gali tik priskirti fotonus sužadinimo linijai ir negali susidoroti su sklaida linijoje“, – paaiškino Xue.
„Todėl 2D vaizdo sklaidos korekcija atliekama tik pagal vieną matmenį. Norėdami ištaisyti sklaidą abiejuose matmenyse, turime nuskaityti mėginį ir ištaisyti sklaidą išilgai kito matmens, todėl gaunama stačiakampio nuskaitymo strategija.”
Tyrimo metu komanda išbandė savo sistemą taškiniu tašku (dviejų fotonų lazerinis skenavimo mikroskopas – TPLSM) ir linijinio skenavimo laikinio fokusavimo mikroskopas (lineTF). Jie vaizdavo fluorescencines karoliukus per vandenį ir per lipidų užpiltą tirpalą, kuris geriau imituoja sklaidą, atsirandančią biologiniame audinyje. Lipidų tirpale mostTF sukūrė vaizdus su 36 kartus geresniu signalo ir fono santykiu nei lineTF.
Siekdamas tikslesnio įrodymo, Xue dirbo su Josiah Boivin Nedivi laboratorijoje, kad vaizduotų neuronus gyvos, anestezuotos pelės smegenyse, naudodamas mosTF. Net ir šioje daug sudėtingesnėje aplinkoje, kur kraujagyslių pulsavimas ir kvėpavimo judėjimas sukelia papildomų nepatogumų, mosTF taikymo sritis vis tiek pasiekė keturis kartus geresnį signalo ir fono santykį.
Svarbu tai, kad jis sugebėjo atskleisti ypatybes, kuriose gyvena daug sinapsių: spygliuočiai, išsikišantys išilgai vynmedžių procesų, arba dendritai, išaugantys iš neuronų ląstelės kūno. Nedivi sakė, kad norint stebėti plastiškumą, reikia stebėti, kaip tie stuburai auga, traukiasi, ateina ir išeina per visą ląstelę.
„Mūsų nuolatinis bendradarbiavimas su laboratorija „So“ ir jų patirtis kuriant mikroskopus leido atlikti in vivo tyrimus, kurių neįmanoma pasiekti naudojant įprastus, jau paruoštus dviejų fotonų mikroskopus“, – pridūrė ji.
Taigi jis jau planuoja tolesnius technologijos patobulinimus.
„Mes ir toliau dirbame siekdami tikslo sukurti dar efektyvesnius mikroskopus, kad plastiškumas būtų dar veiksmingesnis“, – sakė So. „MostTF greitis vis dar ribojamas, nes reikia naudoti didelio jautrumo, mažo triukšmo kameras, kurios dažnai yra lėtos. Dabar dirbame su naujos kartos sistema su naujo tipo detektoriais, tokiais kaip hibridiniai fotodaugikliai arba lavinų fotodiodų matricos, kurios yra jautrios ir greitai.”
Be Xue, So, Boivin ir Nedivi, kiti šio straipsnio autoriai yra Dushan Wadduwage ir Jong Kang Park.