Прямую трансляцию по оптоволокну из глубин мозга впервые провели в цвете
Китайские ученые впервые в мире добились получения высококачественных многоцветных двухфотонных изображений глубоких отделов мозга свободно движущихся мышей с помощью недавно разработанного миниатюрного двухфотонного микроскопа. О новой технологии расшифровки сложных механизмов функционирования мозга сообщило Синьхуа.
Мозг функционирует благодаря скоординированной работе десятков миллиардов нейронов и сотен триллионов синапсов. Точное отслеживание динамических изменений в активности нейронов и синапсов долгое время оставалось серьезной проблемой в исследованиях науки о мозге.
Двухфотонная микроскопия, метод нелинейной оптической визуализации, основанный на двухфотонном поглощении и флуоресцентном возбуждении, обладает высокой разрешающей способностью и возможностями глубокой визуализации.
Первое для Поднебесной достижение в этой сфере датируется 2017 годом. Тогда под руководством директора Национального центра биомедицинской визуализации Пекинского университета Чэн Хэпина был разработан микроскоп первого поколения, посредством которого было получено четкое и стабильное функциональное изображение синапсов у свободно движущихся мышей. В его основе полое волокно. Доселе оно могло передавать сверхбыстрые лазерные импульсы только на одной длине волны, что ограничивало возможности многоцветной визуализации.
Исследователи из Пекинского университета в сотрудничестве с коллегами из Пекинского университета информационных наук и технологий (BISTU) разработали новое ультраширокополосное полое волокно, о чем рассказали в журнале Nature Methods.
Новинка, отличающаяся низкими потерями и низкой дисперсией, позволяет передавать фемтосекундные импульсные лазеры на нескольких длинах волн в диапазоне от 700 до 1060 нанометров. Такие выдающиеся свойства помогли построить многоцветный миниатюрный двухфотонный микроскоп весом всего 2,6 грамма.
Поместив этот микроскоп на головы мышей с болезнью Альцгеймера, исследователи одновременно зафиксировали динамические трехцветные изображения — красного, зеленого и синего цвета — нейронных кальциевых сигналов, митохондриальных кальциевых сигналов и отложений бляшек. Они наблюдали аномальную клеточную и митохондриальную активность вблизи бляшек даже на ранних стадиях заболевания.
«Это похоже на прямую цветную трансляцию динамической активности нейронов и органелл в мозге», — сравнивает профессор У Руньлун из BISTU.
В прошлом из-за ограничений полого волокна микроскопы могли наблюдать только отдельные типы клеток. Теперь, когда разные типы клеток помечены флуоресцентными маркерами разных цветов, исследователи могут четко наблюдать сложное взаимодействие между несколькими типами клеток и изучать, как они координируются и взаимодействуют.
Получены также нейронные кальциевые сигналы и структурные изображения в коре головного мозга мыши на глубине более 820 микрометров, что стало самым глубоким из известных на сегодняшний день изображений, полученных с помощью миниатюрного двухфотонного микроскопа без повреждения мозговой ткани.
Кроме того, линза микроскопа позволяет плавно переключаться между наблюдением в большом поле и детальным изображением с высоким разрешением. Всего за 30 секунд настройки изображение на экране может перейти от «микроскопического крупного плана» к «широкоугольной панораме».
Преодоление проблемы многоцветной возбуждающей визуализации в миниатюрных двухфотонных микроскопах ознаменовало прорыв в изучении сложных сетей мозга, заявил Чэн Хэпин.
Новое поколение микроскопов обеспечивает многоцветную глубокую кросс-масштабную нейровизуализацию, что будет полезным для понимания принципов когнитивных функций мозга, изучения патогенеза его заболеваний, оценке нейрофармацевтических препаратов и разработке интерфейсов «мозг-компьютер», добавил он.