Nyt mikroskop fanger store grupper af neuroner i levende dyr

Forskere har udviklet et mikroskop specifikt til billeddannelse af store grupper af interagerende celler i deres naturlige miljøer. Instrumentet giver forskerne et nyt værktøj til at afbilde neuroner i levende dyr og kan give et hidtil uset indblik i, hvordan store netværk af neuroner interagerer under forskellige adfærd.

I Optica , The Optical Society's journal for high-impact research, forskere fra Boston University, USA viser, at deres nye "multi-z" konfokale mikroskopisystem kan afbilde hjernen på levende mus med videohastighed og med et synsfelt større end en millimeter.

Billeddannelse af store grupper af celler kræver at fange cellulære eller subcellulære detaljer med høje hastigheder over et stort 3-D volumen. Dette er udfordrende, fordi de fleste billedbehandlingsmetoder kommer med iboende afvejninger mellem hastighed, synsfelt og opløsning.

"Vi fandt en måde at kombinere de nødvendige billedbehandlingsfunktioner i et mikroskopisystem, der er nemt at bygge og betjene, " sagde Amaury Badon, avisens første forfatter. "Det giver også resultater i realtid uden behov for kompliceret dataanalyse eller billedbehandling."

Indhentning af 3-D billedvolumener

Det nye mikroskop er baseret på konfokal mikroskopi, en teknik, der almindeligvis anvendes til cellebilleddannelse. Konfokal mikroskopi producerer billeder med høj opløsning og kontrast ved at bruge et fysisk nålehul til at blokere ude af fokus lys og lade in-fokus lys igennem. Imidlertid, scanning af en prøve for at opnå nok 2-D-billeder til at rekonstruere et 3-D-volumen er tidskrævende og producerer store mængder data.

For at erhverve flere fly samtidigt, forskerne udviklede en måde at genbruge lyset til billeddannelse af celler i ét plan for også at afbilde celler dybere i prøven. De brugte en tilgang kaldet udvidet belysning, hvor mikroskopets objektivlinse kun er delvist fyldt med det oplysende lys, lader lyset nå dybere ind i prøven. Den fulde objektivlinse bruges derefter til at detektere fluorescens, som giver høj opløsning. I stedet for at have ét nålehul, som traditionelle konfokale opsætninger, det nye mikroskop har en række reflekterende nålehuller, der hver fanger i fokus lys fra en anden dybde i prøven.

"Vores metode drager fordel af kontrasten fra konfokal mikroskopi, mens den er i stand til at udvide til volumetrisk billeddannelse uden at ofre hastigheden, " sagde Badon. "Selvom udvidet belysning og reflekterende nålehuller er blevet brugt før, det er første gang, de blev kombineret i en konfokal mikroskopopsætning på en lyseffektiv måde."

Forskerne skræddersyede også mikroskopet til billeddannelse i større skala end konventionelle konfokale mikroskoper og designet det til at tage billeder med videohastighed. Hurtig billedoptagelse var vigtig, fordi fluorescensindikatorerne, der overvåger cellulær funktion, typisk fungerer på tidsskalaer på et par titusinder af millisekunder.

Billeddannelse af neural aktivitet hos levende dyr

Forskerne demonstrerede multi-z konfokalmikroskopisystemet ved at bruge det til at afbilde hele C. elegans orme, som er for store (500 til 800 mikron lange) til nemt at afbilde det hele på én gang med et traditionelt konfokalmikroskop. De opdagede og overvågede samtidig aktiviteten af ​​42 neuroner i hele organismen, selv når ormene bevægede sig.

De brugte derefter deres mikroskop til at afbilde hippocampus-regionen af ​​en musehjerne i et vågent dyr, hvis hoved blev holdt stationært. De var i stand til at afbilde neuronaktivitet inden for et volumen, der målte 1200 X 1200 X 100 mikron ved videohastighed. Ved hjælp af en algoritme, forskerne var i stand til at identificere 926 neuroner i det afbildede volumen.

De arbejder nu på at forbedre teknikkens hastighed og dybdegennemtrængning samt at gøre mikroskopet så alsidigt og brugervenligt som muligt.