SLAP-mikroskop smadrer hastighedsrekorder

Et nyt mikroskop bryder en langvarig hastighedsgrænse, optagelse af optagelser af hjerneaktivitet 15 gange hurtigere, end forskere engang troede var muligt. Den indsamler data hurtigt nok til at registrere neuronernes spændingsspidser og frigivelse af kemiske budbringere over store områder, overvågning af hundredvis af synapser samtidigt-et kæmpe spring for den kraftfulde billeddannelsesteknik kaldet to-fotonmikroskopi.

Tricket ligger ikke i at bøje fysikkens love, men ved at bruge viden om en prøve til at komprimere den samme information til færre målinger. Forskere ved Howard Hughes Medical Institutes Janelia Research Campus har brugt det nye mikroskop til at se mønstre af neurotransmitterfrigivelse på musens neuroner, de rapporterer 29. juli i Naturens metoder . Indtil nu, det har været umuligt at fange disse millisekunders tidsskala mønstre i hjernen på levende dyr.

Forskere bruger to-foton-billeddannelse til at kigge ind i uigennemsigtige prøver - som levende hjerner - der er uigennemtrængelige med almindelig lysmikroskopi. Disse mikroskoper bruger en laser til at excitere fluorescerende molekyler og måler derefter det udsendte lys. I klassisk to-foton mikroskopi, hver måling tager nogle få nanosekunder; at lave en video kræver målinger for hver pixel i billedet i hvert billede.

At, i teorien, begrænser, hvor hurtigt man kan tage et billede, siger studielederforfatter Kaspar Podgorski, en kollega hos Janelia. "Man skulle tro, at det ville være en grundlæggende grænse -¬ antallet af pixels ganget med minimumstiden pr. pixel, "siger han." Men vi har brudt denne grænse ved at komprimere målingerne. "Tidligere har den slags hastighed kunne kun opnås over små områder.

Det nye værktøj - Scanned Line Angular Projection microscopy, eller SLAP — gør den tidskrævende dataopsamlingsdel mere effektiv på få måder. Den komprimerer flere pixels til én måling og scanner kun pixels i områder af interesse, takket være en enhed, der kan styre, hvilke dele af billedet der belyses. Et billede i høj opløsning af prøven, optaget før to-foton-billeddannelsen begynder, guider omfanget og giver forskere mulighed for at dekomprimere dataene for at oprette detaljerede videoer.

Ligesom en CT -scanner, som bygger et billede op ved at scanne en patient fra forskellige vinkler, SLAP fejer en lysstråle hen over en prøve langs fire forskellige planer. I stedet for at registrere hver pixel i strålens vej som et individuelt datapunkt, skopet komprimerer punkterne i den linje sammen til ét tal. Derefter, computerprogrammer dekrypterer linjerne af pixels for at få data for hvert punkt i prøven - på en måde som at løse et kæmpe Sudoku-puslespil.

I den tid det tager SLAP at scanne hele prøven, et traditionelt omfang, der går pixel for pixel, ville dække kun en lille brøkdel af et billede. Denne hastighed tillod Podgorskis team i detaljer at se, hvordan glutamat, en vigtig neurotransmitter, frigives på forskellige dele af mus neuroner. I musens visuelle cortex, for eksempel, de identificerede regioner på neurons dendritter, hvor mange synapser synes at være aktive på samme tid. Og de sporede neurale aktivitetsmønstre, der vandrede over musens cortex, da et objekt bevægede sig over dets synsfelt.

Podgorskis ultimative mål er billede af alle signalerne, der kommer ind i en enkelt neuron, at forstå, hvordan neuroner omdanner indgående signaler til udgående signaler. Dette nuværende omfang er "kun et skridt på vejen - men vi bygger allerede en anden generation. Når vi har det, vi vil ikke længere være begrænset af mikroskopet, " han siger.

Hans team opgraderer omfangets scannere for at øge hastigheden. De leder også efter måder at spore andre neurotransmittere på, så de fuldt ud kan få fat i symfonien i neural kommunikation.