Brza mikroskopija otkriva električnu aktivnost u mozgu

Unutar mozga, neuroni računaju generirajući električne impulse. Ti signali putuju kroz neurone, koji su pak povezani u goleme mreže koje kontroliraju moždane funkcije poput senzorne percepcije, formiranja pamćenja i kontrole kretanja.

U napretku koji bi mogao pomoći neuroznanstvenicima u mapiranju tih neuronskih mreža, što bi dovelo do boljeg razumijevanja kako neuronska aktivnost leži u osnovi ponašanja i drugih moždanih funkcija, inženjeri s američkog tehnološkog instituta MIT, izumili su novi mikroskop koji može snimati električnu aktivnost u neuronima raspoređenim po mozgu cijelog organizma.

Koristeći mikroskop koji su prilagodili za brzo snimanje velikim volumenom, istraživači su uspjeli pratiti električnu aktivnost u mozgu u milisekundama. Ova metoda otkrila je obrasce neuronske aktivnosti neurona u mozgu koji su se aktivirali kao odgovor na ultraljubičasto svjetlo.

Kako bi omogućili izravno snimanje napona, istraživači su razvili proteine ​​zvane genetski kodirani indikatori napona, fluorescentne proteine koji se mogu genetski eksprimirati u neuronima. Kada neuron odašilje impuls, protein fluorescira, što se može detektirati fluorescentnim mikroskopom.

U prethodnim radovima, istraživači su koristili ove proteine ​​za snimanje malih populacija neurona, obično se fokusirajući na jedan lokalizirani dio mozga. Do sada nije postojao način snimanja velikog volumena, poput cijelog mozga, s rezolucijom od milisekunde potrebnom za snimanje električnih impulsa iz pojedinačnih neurona.

Kako bi to postigao, MIT-ov tim odlučio je modificirati uobičajeno korišteni mikroskop poznat kao mikroskop sa svjetlosnim slojem. Ova vrsta mikroskopa koristi laserski sloj za osvjetljavanje tankog sloja uzorka. Snimanjem mnogih slojeva u nizu, ova tehnika može generirati 3D slike velikog volumena. Međutim, s prethodnim mikroskopima, skeniranje cijelog volumena trajalo bi predugo da bi se mogli uhvatiti neuronski impulsi u volumenu pri rezoluciji jedne stanice.

Kako bi proces snimanja bio dovoljno brz za snimanje aktivnosti u milisekundama, istraživači su povećali brzinu snimanja slike kamerom mikroskopa, a također su povećali brzinu skeniranja mikroskopa pomoću tehnike koja se naziva daljinsko refokusiranje.

Koristeći ovaj pristup, istraživači su pokazali da mogu skenirati cijeli mozak ribe zebrice 200 puta u sekundi, odnosno jednom svakih pet milisekundi.

Kako bi testirali novi mikroskop, istraživači su modificirali neurone u ličinkama zebrica kako bi eksprimirali indikator napona nazvan Positron2-Kv. Iako su se nadali da će indikator završiti u svakom neuronu, on je proizveo signale u neuronima raspoređenim po cijelom mozgu, pri čemu je otprilike četvrtina neurona pokazivala prihvatljive signale.

Međutim, to je bilo dovoljno za promatranje obrazaca aktivnosti u mozgu. Istraživači su snimali mozak dok se riba odmarala i mogli su promatrati pojedinačne naponske skokove iz neurona, kao i brze nalete skokova.

Osim toga, ova tehnika otkrila je obrasce u načinu na koji se mozak aktivira nakon podražaja poput ultraljubičastog svjetla. Odmah nakon podražaja, uočena je aktivnost u optičkom tektumu, koji prima i obrađuje vizualni unos s mrežnice. Ta se aktivnost širila s jedne strane dijela mozga koji se naziva tektum na drugu. Aktivnost neovisna o podražaju također se javljala u sekvencama preko skupova neurona u malom mozgu i stražnjem mozgu.

Istraživači se sada nadaju povećati postotak neurona koje mogu snimiti u mozgu, kao i brzinu i rezoluciju mikroskopa. Također rade na proširenju upotrebe ove tehnike na druge eksperimentalne modele, uključujući miševe.

Ovaj pristup mogao bi ponuditi neuroznanstvenicima novi način generiranja hipoteza o tome što se događa u mozgu kada se bavi određenim ponašanjima ili o tome kako je moždana aktivnost povezana sa stanjima uma poput sanjarenja.

Znanstveni rad objavljen u časopisu Nature Methods možete pronaći na ovoj poveznici.