Высокоскоростная визуализация отслеживает активность живых клеток мозга у бодрствующих мышей

Исследовательская группа из Школы инженерии Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) совершила прорыв в области нейровизуализации, разработав первую в мире технологию, позволяющую получать изображения мозга бодрствующих подопытных мышей с высоким разрешением практически неинвазивным способом.

Устраняя необходимость в анестезии, это нововведение позволяет учёным изучать мозговую ткань в её полностью функциональном состоянии. Это достижение обещает более глубокое понимание функций человеческого мозга как в здоровом, так и в патологическом состоянии, открывая новые горизонты в нейробиологических исследованиях.

Исследование было недавно опубликовано в журнале Nature Communications в статье под названием «Быстрая адаптивная оптика, позволяющая проводить почти неинвазивную визуализацию мозга с высоким разрешением у бодрствующих мышей».

Человеческий мозг необычайно сложен, и учёные уже давно пытаются понять его функции с помощью технологий нейровизуализации. Однако существующие методы, такие как магнитно-резонансная томография (МРТ), электроэнцефалография (ЭЭГ), компьютерная томография (КТ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), ограничены в своей способности выявлять тонкие структурные и функциональные детали активности мозга.

Мыши широко используются в качестве модельных организмов для изучения методов лечения неврологических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Хантингтона и эпилепсия, а также методов лечения различных видов рака и эффективности вакцин благодаря их близкому генетическому и биологическому сходству с человеком. Однако анестезия существенно изменяет кровообращение , морфологию глиальных клеток и активность нейронов, что приводит к менее достоверным экспериментальным результатам по сравнению с результатами, полученными на бодрствующих животных. Более того, естественные движения бодрствующих мышей часто размывают сканированные изображения, затрудняя наблюдение за тонкими структурами мозга.

Новая технология, получившая название «Мультиплексное цифровое фокусное детектирование и формирование» (MD-FSS), была разработана группой под руководством профессора Цюй Цзянаня, профессора кафедры электронной и компьютерной инженерии (ECE) Инженерного факультета. Эта инновация основана на более ранней работе профессора Цюя «Аналоговое синхронное фазовое детектирование и формирование фокуса (ALPHA-FSS)», опубликованной в журнале Nature Biotechnology в 2022 году.

ALPHA-FSS достигла субклеточного разрешения при визуализации мозга с помощью трёхфотонной микроскопии. Несмотря на высокую точность и высокий порядок коррекции, скорость сканирования была слишком низкой для получения высококачественных изображений проблемных участков мозга бодрствующих животных, где естественные движения вызывали размытость.

Кроме того, толщина и плотность черепа сильно поглощают и рассеивают входящий свет, что существенно ограничивает проникновение в него двухфотонной микроскопии. Даже в поверхностных областях мозга качество изображения ухудшается, что приводит к низкой точности визуализации.

Более четкие изображения, скорость увеличена в десять раз

Для решения этих задач группа разработала технологию MD-FSS, которая значительно ускоряет измерение функции рассеяния точки (ФРТ) — трёхмерного изображения точечного объекта под микроскопом. Этот новаторский метод использует несколько пространственно разнесённых слабых лазерных лучей наряду с мощным первичным лучом для создания нелинейной интерференции в мозге. Каждый луч кодируется на уникальной частоте и несёт различную пространственную информацию.

Благодаря параллельному декодированию с помощью цифровой фазовой демодуляции — мощному методу извлечения слабых сигналов из шумного фона — система достигает результатов измерений PSF менее чем за 0,1 секунды, что более чем в десять раз быстрее предыдущих методов, отслеживая при этом динамическую активность мозга и создавая четкие, точные изображения.

Разрешение многофотонной микроскопии в сотни и тысячи раз выше, чем у традиционных методов, таких как ЭЭГ и КТ, что позволяет наблюдать отдельные нейроны, иммунные клетки и даже мельчайшие капиллярные структуры и их функции.

Интегрировав MD-FSS с многофотонной микроскопией для разработки «Адаптивной оптической трехфотонной микроскопии», исследовательская группа продемонстрировала способность технологии отслеживать функциональные изменения в иммунных клетках мозга , измерять кровоток в мельчайших мозговых сосудах, контролировать нейронную активность во время когнитивной и сенсорной обработки и фиксировать взаимодействия между клетками мозга и сосудистой системой.

Профессор Цюй сказал: «Раньше столь подробные, практически неинвазивные и проводившиеся в режиме реального времени наблюдения за бодрствующими животными были невозможны. Благодаря возможности быстрой коррекции аберраций, которую обеспечивает эта новая технология адаптивной оптики, теперь можно получать высококачественные изображения, не повреждая мозг испытуемого».

«Теперь мы можем регистрировать нейронную, глиальную и сосудистую динамику на субклеточном уровне в их естественном физиологическом состоянии — без искажающего влияния анестезии. Этот прорыв открывает совершенно новые возможности для понимания функций мозга как в норме, так и при патологии».

Масштабируемая платформа для будущей нейронауки

Система MD-FSS разработана с учётом будущей масштабируемости. Существующая система, использующая восемь лучей для измерения PSF, может быть расширена до десятков или даже сотен, что позволит получать более быстрые и широкие изображения по мере развития технологий управления светом.

Профессор Цюй добавил: «Наша последняя работа представляет собой нечто большее, чем просто постепенное улучшение. Теперь у нас есть универсальная платформа, которую можно масштабировать для более быстрой визуализации, охватывать более крупные области мозга и интегрировать с функциональными анализами».

«Это позволит нейробиологам исследовать быстрые мозговые события, сложные сетевые взаимодействия и прогрессирование заболеваний способами, которые ранее были технически недостижимы, открывая путь к революционным открытиям в области обучения, памяти, психического здоровья и неврологических расстройств».

Внимание, автоперевод! За ошибки перевода ответственности не несём. Первоисточник по ссылке.