Новый мини-микроскоп поможет увидеть, как отдельные нейроны формируют поведение Технология может помочь лучше понять, как нервные цепи управляют поведением, а также изучать заболевания мозга.
Исследователи из Университета Колорадо в Аншутце и Университета Колорадо в Боулдере (США) разработали компактный микроскоп, который позволяет наблюдать за активностью отдельных клеток мозга и одновременно управлять ими во время естественного поведения животных. О разработке сообщается в журнале Optica.
«Эти миниатюрные микроскопы все чаще используют для изучения нейронной основы поведения у свободно перемещающихся животных», — рассказала старший автор работы Эмили Гибсон, доцент кафедры биомедицинской инженерии Университета Колорадо в Аншутце.
По ее словам, новый прибор дает возможность глубже проникать в ткани мозга и получать изображения более высокого качества. Кроме того, он способен активировать отдельные нейроны с помощью оптогенетики — метода, при котором свет используют для управления активностью нервных клеток.
Один прибор для наблюдения и управления нейронами
Новый миниатюрный микроскоп получил название Opto2P-FCM. В отличие от предыдущих компактных систем, он не только показывает, какие нейроны работают в конкретный момент, но и позволяет избирательно включать нужные клетки.
Обычно ученым приходится выбирать между двумя задачами: либо наблюдать за активностью мозга, либо воздействовать на нее. Новый прибор объединяет обе функции в одном устройстве. Он оснащен двумя оптическими каналами: один создает четкие изображения клеток, второй направляет свет на выбранные нейроны.
«Этот микроскоп меняет правила игры. Возможность создать современный инструмент одновременно для считывания активности нейронов и их фотостимуляции впечатляет», — отметил соавтор исследования Джульет Гопинат, профессор электротехники, компьютерных наук и физики Университета Колорадо в Боулдере.
Фото: Optica Схема миниатюрного двухфотонного волоконно-оптического микроскопа Opto2P-FCM
Сложная оптика в корпусе размером с монету
Одной из главных проблем при создании устройства был вес. Микроскоп вместе с оптическими компонентами весит всего около 5 граммов, поэтому его можно закреплять на голове животного, не мешая его движениям.
«Создание сложного оптического устройства весом всего 5 граммов было непростой задачей. Каждый компонент пришлось учитывать с точностью до мельчайших допусков», — рассказал соавтор работы Грегори Футия, старший научный сотрудник Университета Колорадо в Аншутце.
Раньше двухфотонная микроскопия считалась одним из лучших способов изучения живой ткани мозга с высоким разрешением. Однако такие системы обычно требуют, чтобы объект оставался неподвижным. Это ограничивало исследования, поскольку мозг работает иначе во время движения, обучения и взаимодействия с окружающей средой.
Новые мини-микроскопы позволили изучать мозг в более естественных условиях, но часто жертвовали качеством изображения или не умели точно воздействовать на отдельные клетки.
Помощь в изучении болезней мозга
Авторы работы считают, что Opto2P-FCM может стать полезным инструментом для исследования заболеваний, связанных с нарушением работы нервных цепей, включая болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и эпилепсию.
Ученые смогут одновременно видеть, как работают отдельные нейроны, и проверять, что происходит при активации или подавлении конкретных клеток. Это позволит изучать не только отдельные сигналы мозга, но и взаимодействие целых нейронных сетей.
«Чтобы понять, как работает мозг, недостаточно просто наблюдать за тем, как активируются нейроны. Нужно уметь избирательно включать определенные клетки и смотреть, как на это реагирует вся сеть», — сказала Гибсон.
Сейчас устройство остается прототипом. В дальнейшем исследователи планируют сделать его еще меньше, легче и быстрее, а также расширить область наблюдения за мозговой тканью.