Многоцветная революция в нейробиологии: ученые наблюдают за мозгом по-новому

Китайские ученые достигли революционного прорыва в области нейровизуализации, создав миниатюрный двухфотонный микроскоп, способный получать высококачественные многоцветные изображения глубоких слоев мозга у движущихся мышей. Это значительное достижение открывает новые горизонты для изучения функционирования мозга и механизмов развития нейродегенеративных заболеваний.

Разработка нового поколения микроскопов

В 2017 году в Китае впервые был создан прототип двухфотонного микроскопа, основанный на полом волокне, который позволял получать стабильные изображения синапсов у свободно движущихся мышей. Однако его возможности были ограничены — он мог передавать лазерные импульсы только на одной длине волны, что мешало многоцветной визуализации и комплексному анализу активности различных клеток и структур мозга.

Недавно команда ученых из Пекинского университета совместно с коллегами из Пекинского университета информационных наук и технологий (BISTU) разработала ультраширокополосное полое волокно, которое стало ключевым элементом новой системы.

В отличие от предыдущих моделей, оно обладает низкими потерями и низкой дисперсией, что позволяет передавать фемтосекундные лазерные импульсы на нескольких длинах волн в диапазоне от 700 до 1060 нанометров. Благодаря этим характеристикам создан миниатюрный двухфотонный микроскоп весом всего 2,6 грамма.

Многоцветная визуализация и глубокое проникновение

Использование нового полого волокна позволило ученым реализовать многоцветную визуализацию нейронных структур и активностей в мозге мыши. В частности, при помощи этого микроскопа удалось зафиксировать динамические трехцветные сигналы — красного, зеленого и синего — связанных с кальциевыми сигналами нейронов, митохондрий и бляшек при моделировании болезни Альцгеймера. Исследователи наблюдали аномальную активность клеток и митохондрий даже на ранних стадиях заболевания.

Профессор У Руньлун из BISTU отметил: "Это похоже на прямую цветную трансляцию динамической активности нейронов и органелл в мозге". Благодаря новым возможностям ученые теперь могут одновременно наблюдать за несколькими типами клеток, помеченными флуоресцентными маркерами разных цветов. Это значительно расширяет возможности изучения сложных взаимодействий внутри мозга.

Самое глубокое изображение

Одним из важнейших достижений стало получение изображений на глубине более 820 микрометров без повреждения тканей мозга. Это самое глубокое изображение, выполненное с помощью миниатюрного двухфотонного микроскопа на сегодняшний день. Возможность наблюдать за структурой и активностью нейронов на таких глубинах открывает новые перспективы для изучения внутренней организации мозга.

Линза микроскопа позволяет легко переключаться между режимами — от широкоугольной панорамы до детального крупнопланового изображения. Время настройки составляет всего около 30 секунд, что делает устройство очень удобным для использования в реальных условиях исследований. Такой функционал позволяет ученым быстро адаптировать визуализацию под конкретные задачи.

Значение для науки о мозге

По словам Чэн Хэпина, руководителя проекта, преодоление проблем многоцветной возбуждающей визуализации в миниатюрных двухфотонных микроскопах стало настоящим прорывом. Новое поколение устройств обеспечивает кросс-масштабную нейровизуализацию с множеством цветов и высокой глубиной проникновения. Это существенно расширяет возможности для понимания когнитивных функций мозга, изучения патогенеза заболеваний и разработки новых методов лечения.

Новые технологии позволяют не только лучше понять работу мозга у животных моделей заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера или Паркинсона, но также способствуют развитию интерфейсов "мозг-компьютер". Они могут использоваться для оценки эффективности нейрофармацевтических препаратов или создания новых методов диагностики неврологических расстройств.

Интересные факты по теме

1. Согласно данным Американской ассоциации неврологии (ANA), исследования с помощью двухфотонной микроскопии позволяют наблюдать за активностью нейронов в реальном времени у живых животных без необходимости их повреждения.
2. В 2020 году ученые впервые получили трехмерные карты активности нейронов в мозге мыши с помощью двухфотонной визуализации на глубинах до 1 миллиметра.
3. Технология двухфотонной микроскопии активно используется для изучения механизмов памяти и обучения у животных благодаря своей способности фиксировать динамику внутри живых тканей.

Создание миниатюрного многоцветного двухфотонного микроскопа нового поколения представляет собой значительный шаг вперед в области нейровизуализации. Возможность получать высококачественные изображения глубоких слоев мозга у движущихся животных открывает новые горизонты для исследований когнитивных процессов и патологии нервной системы.

Эти достижения обещают ускорить развитие методов диагностики и терапии неврологических заболеваний, а также расширить наши знания о сложных механизмах работы человеческого мозга.