Ultratyndt endoskop fanger neuroner, der skyder dybt i hjernen

Forskere har udviklet et endoskop så tyndt som et menneskehår, der kan forestille neurons aktivitet i hjernen hos levende mus. Fordi den er så tynd, endoskopet kan nå dybt ind i hjernen, give forskere adgang til områder, der ikke kan ses med mikroskoper eller andre typer endoskoper.

"Ud over at blive brugt i dyreforsøg til at hjælpe os med at forstå, hvordan hjernen fungerer, dette nye endoskop kan en dag være nyttigt for visse applikationer hos mennesker, "sagde Shay Ohayon, der udviklede enheden som postdoktor i James DiCarlos laboratorium ved Massachusetts Institute of Technology. "Det kunne tilbyde en mindre, og dermed mere behagelig, instrument til billeddannelse i næsehulen, for eksempel."

Det nye endoskop er baseret på en optisk fiber på kun 125 mikrometer tyk. Fordi enheden er fem til ti gange tyndere end de mindste kommercielt tilgængelige mikroendoskoper, det kan skubbes dybere ind i hjernevævet uden at forårsage betydelig skade.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA) Biomedicinsk optik Express , forskerne rapporterer, at endoskopet kan fange opløsningsbilleder i mikronskala af neuroner, der affyrer. Det er første gang, at billeddannelse med et så tyndt endoskop er blevet demonstreret i et levende dyr.

"Med videre udvikling, det nye mikroendoskop kunne bruges til at forestille neuronaktivitet i tidligere utilgængelige dele af hjernen, såsom den visuelle cortex af primatdyremodeller, "sagde Ohayon." Det kan også bruges til at studere, hvordan neuroner fra forskellige områder af hjernen kommunikerer med hinanden. "

Indhentning af billeder fra en fiber

Det nye mikroendoskop er baseret på en multimode optisk fiber, som kan bære forskellige flere lysstråler på samme tid. Når lys kommer ind i fiberen, det kan manipuleres til at generere et lille sted i den anden ende, og kan flyttes til forskellige positioner på vævet uden at flytte fiberen. Ved at scanne den lille plet på tværs af prøven kan den ophidse fluorescerende molekyler, der bruges til at mærke neuronaktivitet. Da fluorescensen fra hvert sted bevæger sig tilbage gennem fiberen, et billede af neuronaktivitet dannes.

"For at opnå scanning hurtigt nok til at billedneuroner kan affyre, vi brugte en optisk komponent kendt som en digital spejlenhed (DMD) til hurtigt at flytte lyspunktet, "sagde Ohayon." Vi udviklede en teknik, der tillod os at bruge DMD til at scanne lys med hastigheder på op til 20 kilohertz, som er hurtig nok til at se fluorescens fra aktive neuroner. "

Fordi multimodefibrene, der bruges til endoskopet, kaster lys, forskerne anvendte en metode kaldet wavefront shaping for at konvertere det krypterede lys til billeder. Til bølgefrontformning, de sendte forskellige lysmønstre gennem fiberen til et kamera i den anden ende og registrerede præcis, hvordan den specifikke fiber ændrede lys, der passerede igennem. Kameraet blev derefter fjernet, og fiberen placeret i hjernen til billeddannelse. De tidligere opnåede oplysninger om, hvordan fiberen ændrer lyset, bruges derefter til at generere og scanne et lille punkt hen over synsfeltet.

Billeddannelse af levende neuroner

Efter vellykket billeddannelse af dyrkede celler, forskerne testede deres mikroendoskop på bedøvede mus. De indsatte fiberen gennem et lille hul i kraniet på en mus og sænkede den langsomt ned i hjernen. At forestille neuroner, der fyrer, forskerne brugte en teknik kaldet calciumbilleddannelse, der skaber fluorescens som reaktion på tilstrømningen af ​​calcium, der opstår, når en neuron affyrer.

"En af fordelene ved at bruge et så tyndt endoskop er, at når du sænker det ned i hjernen, du kan se alle blodkarrene og navigere i fiberen for at undgå at ramme dem, "sagde Ohayon.

Ud over at vise, at deres endoskop kunne fange detaljeret neuronal aktivitet, viste forskerne også, at flere lysfarver kunne bruges til billeddannelse. Denne evne kan bruges til at observere interaktioner mellem to grupper af neuroner, der hver er mærket med en anden farve, for eksempel.

Til standard billeddannelse, endoskopet viser neuronerne i spidsen af ​​fiberen. Imidlertid, forskerne viste også, at mikroendoskopet kunne billede op til omkring 100 mikrometer væk fra spidsen. "Dette er meget nyttigt, fordi når fiberen indsættes i hjernen, det kan påvirke neurons funktion meget tæt på fiberen, "forklarede Ohayon." Billeddannelse af et område lidt væk fra fiberen gør det lettere at fange sunde neuroner. "

Behandler bøjninger i fiberen

En begrænsning af mikroendoskopet er, at eventuelle bøjninger i fiberen får den til at miste evnen til at producere billeder. Selvom dette ikke påvirkede de eksperimenter, der er beskrevet i avisen, fordi fiberen blev holdt lige, da den blev skubbet ind i hjernen, løsning af bøjningsproblemet kan i høj grad udvide applikationerne til enheden. Forskellige forskergrupper arbejder på nye typer fibre, der er mindre modtagelige for bøjning og beregningsmetoder, der kan kompensere for bøjning i realtid.

"Hvis dette bøjningsproblem kan løses, det vil sandsynligvis ændre måden endoskopi på mennesker udføres ved at tillade meget tyndere prober, "sagde Ohayon." Dette ville muliggøre mere behagelig billeddannelse end nutidens store endoskoper og muliggøre billeddannelse i dele af kroppen, der i øjeblikket ikke er mulige. "