Создан супер-микроскоп, который видит мозг изнутри без вреда для тканей
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) создали микроскоп нового поколения, который использует звук вместо обычного света для построения изображений глубин мозга. Работа опубликована в журнале Light: Science and Applications.
На протяжении десятилетий микроскопия сталкивалась с одной главной проблемой: невозможно было получить четкое изображение глубоко расположенных участков мозга, не разрушая ткань или не добавляя специальные красители, гены или химические вещества. Особенно это касалось таких важных зон, как гиппокамп, — области, связанной с памятью, обучением и неврологическими заболеваниями.
Теперь ученые из MIT предложили радикально новый подход: сочетание света и звука, который позволяет «заглядывать» вглубь мозга в 5 раз глубже, чем позволяли предыдущие технологии, и делать это без вмешательства в структуру клеток.
Как устроен новый микроскоп
Сердце технологии — трехфотонная фотоакустическая визуализация. Принцип работы следующий:
- лазер посылает очень короткие, но мощные световые импульсы с длиной волны, втрое превышающей стандартную — такие волны глубже проникают в ткань, почти не рассеиваясь.
- эти импульсы возбуждают молекулы внутри клеток, которые на короткое время нагреваются.
- это тепловое расширение вызывает образование микроскопических звуковых волн.
- ультразвуковой датчик (очень чувствительный микрофон) улавливает эти волны.
- специальное ПО превращает данные в высокоточные изображения, отображающие структуру и метаболическую активность тканей.
Этот метод не требует добавления красителей или генетических модификаций, что особенно важно при работе с живыми тканями, включая мозг.
Что это позволяет увидеть
Во время экспериментов ученые визуализировали метаболическую активность в церебральных органоидах — 3D-структурах, выращенных из стволовых клеток человека. Они также успешно тестировали метод на срезах мозга мышей толщиной до 0,7 мм.
Особое внимание уделено молекуле NAD(P)H, ключевому показателю клеточного обмена веществ и нейронной активности. Эта молекула важна для исследования таких состояний, как:
болезнь Альцгеймера
- синдром Ретта (психоневрологическое наследственное заболевание)
- судорожные расстройства
Также система способна визуализировать GCaMP — белок-индикатор кальция, который используется для изучения нейронной активности в режиме реального времени.
Кроме того, метод генерации «третьей гармоники» (еще один фотонный эффект) позволяет получить структурные изображения клеток без дополнительных меток, то есть видеть форму и расположение клеток наряду с молекулярной активностью.
Зачем это нужно
Объединяя несколько передовых методов — трехфотонное возбуждение, безметочную визуализацию и акустическое обнаружение — исследователи создали платформу, способную глубоко заглядывать в мозг без повреждения тканей.
«Мы хотим, чтобы это был единый эффективный процесс, в котором ничего не нарушается», — поясняет Тацуя Осаки из Института Пикауэра, соавтор исследования.
В долгосрочной перспективе технология может применяться:
в нейрохирургии для навигации внутри мозга
в фундаментальных исследованиях, чтобы лучше понимать, как работает мозг
в диагностике заболеваний, влияющих на клеточный метаболизм
в реальном времени во время операций, чтобы отслеживать активность тканей