Innovativ nanosheet-metode revolutionerer hjernebilleddannelse til multi-skala og langsigtede studier

Den menneskelige hjerne har milliarder af neuroner. Ved at arbejde sammen muliggør de højere-ordens hjernefunktioner såsom kognition og kompleks adfærd. For at studere disse højere-ordens hjernefunktioner er det vigtigt at forstå, hvordan neural aktivitet er koordineret på tværs af forskellige hjerneregioner.

Selvom teknikker såsom funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) er i stand til at give indsigt i hjerneaktivitet, kan de kun vise så meget information for et givet tidspunkt og område. To-fotonmikroskopi, der involverer brug af kranievinduer, er et kraftfuldt værktøj til at producere billeder i høj opløsning, men konventionelle kranievinduer er små, hvilket gør det vanskeligt at studere fjerne hjerneområder på samme tid.

Nu har et team af forskere ledet af Exploratory Research Center on Life and Living Systems (ExCELLS) og National Institute for Physiological Sciences (NIPS) introduceret en ny metode til in vivo hjernebilleddannelse, der muliggør storstilet og langsigtet observation af neuronale strukturer og aktiviteter i vågne mus.

Denne metode kaldes "nanosheet incorporated into light-curable resin" (NIRE)-metoden, og den bruger fluorpolymer nanosheets dækket med lyshærdende harpiks til at skabe større kranievinduer.

"NIRE-metoden er overlegen i forhold til tidligere metoder, fordi den producerer større kranievinduer end tidligere muligt, der strækker sig fra parietal cortex til lillehjernen, ved at bruge det biokompatible nanoark og den gennemsigtige lyshærdelige harpiks, der ændrer form fra flydende til fast," siger hovedforfatter Taiga Takahashi fra Tokyo University of Science and Excel.

I NIRE-metoden bruges lyshærdende harpiks til at fiksere polyethylenoxid-coated CYTOP (PEO-CYTOP), et bioinert og gennemsigtigt nanoark, på hjernens overflade. Dette skaber et "vindue", der passer tæt på hjernens overflade, selv den meget buede overflade af lillehjernen, og bevarer dens gennemsigtighed i lang tid med lidt mekanisk stress, hvilket gør det muligt for forskere at observere flere hjerneregioner af levende mus.

"Derudover viste vi, at kombinationen af ​​PEO-CYTOP nanoplader og lyshærdende harpiks muliggjorde skabelsen af ​​stærkere kranievinduer med større gennemsigtighed i længere perioder sammenlignet med vores tidligere metode. Som et resultat var der få bevægelsesartefakter, dvs. er forvrængninger i billederne forårsaget af vågne muses bevægelser," siger Takahashi.

De kraniale vinduer muliggjorde billeddannelse i høj opløsning med sub-mikrometer opløsning, hvilket gør dem egnede til at observere morfologien og aktiviteten af ​​fine neurale strukturer.

"Vigtigt er det, at NIRE-metoden gør det muligt at udføre billeddannelse i en længere periode på mere end 6 måneder med minimal indvirkning på gennemsigtigheden. Dette skulle gøre det muligt at udføre længerevarende forskning i neuroplasticitet på forskellige niveauer - fra netværksniveau til det cellulære niveau. niveau – såvel som under modning, læring og neurodegeneration," forklarer den tilsvarende forfatter Tomomi Nemoto hos ExCELLS og NIPS.

Denne undersøgelse er en betydelig præstation inden for neuroimaging, fordi denne nye metode giver et kraftfuldt værktøj for forskere til at undersøge neurale processer, der tidligere var vanskelige eller umulige at observere. Specifikt bør NIRE-metodens evne til at skabe store kranievinduer med langvarig gennemsigtighed og færre bevægelsesartefakter give mulighed for storskala, langsigtet og multi-skala in vivo hjernebilleddannelse.

"Metoden lover at opklare mysterierne om neurale processer forbundet med vækst og udvikling, læring og neurologiske lidelser. Potentielle anvendelser omfatter undersøgelser af neural populationskodning, neurale kredsløbsremodellering og højere-ordens hjernefunktioner, der afhænger af koordineret aktivitet på tværs af bredt distribuerede regioner," siger Nemoto.

Sammenfattende giver NIRE-metoden en platform til at undersøge neuroplastiske forandringer på forskellige niveauer over længere perioder hos dyr, der er vågne og engageret i forskellig adfærd, hvilket giver nye muligheder for at forbedre vores forståelse af hjernens kompleksitet og funktion.

Flere oplysninger: Taiga Takahashi et al, Storskala kranievindue til in vivo musehjernebilleddannelse ved brug af fluorpolymer nanoark og lyshærdende harpiks, Kommunikationsbiologi (2024).

Journaloplysninger: Kommunikationsbiologi

Leveret af National Institutes of Natural Sciences