Sposobnost mozga da uči potiče od „plastičnosti“, u kojoj neuroni stalno uređuju i preobličavaju sićušne veze zvane sinapse koje prave sa drugim neuronima da bi formirali kola. Da bi proučavali plastičnost, neuronaučnici nastoje da je prate u visokoj rezoluciji u celim ćelijama, ali plastičnost ne čeka da spori mikroskopi održe korak, a moždano tkivo je poznato po tome što rasipa svetlost i čini slike nejasnim.
U radu u časopisu Naučni izveštaji, saradnja inženjera MIT-a i neuronaučnika opisuje novi mikroskopski sistem dizajniran za brzo, jasno i često snimanje živog mozga.
Sistem, nazvan „višelinijsko ortogonalno skeniranje temporalnog fokusiranja“ (mosTF), funkcioniše tako što skenira moždano tkivo sa linijama svetlosti u okomitim pravcima. Kao i kod drugih živih sistema za snimanje mozga koji se oslanjaju na „dvofotonsku mikroskopiju“, ovo skenirajuće svetlo „uzbuđuje“ emisiju fotona iz moždanih ćelija koje su projektovane da fluoresciraju kada su stimulisane.
Na testovima tima se pokazalo da je novi sistem osam puta brži od dvofotonskog nišana koji ide tačku po tačku, i pokazalo se da ima četiri puta bolji odnos signala i pozadine (mera rezultujuće jasnoće slike) od dva -fotonski sistem koji samo skenira u jednom pravcu.
„Praćenje brzih promena u strukturi kola u kontekstu živog mozga ostaje izazov“, rekli su koautor Elli Nedivi, Villiam R. (1964) i Linda R. Ioung profesor neuronauke u Institutu Picover za učenje i pamćenje i MIT-u Odeljenja za biologiju i mozgove i kognitivne nauke.
„Dok je dvofotonska mikroskopija jedina metoda koja omogućava vizualizaciju sinapsi duboko u raspršenom tkivu, kao što je mozak, u visokoj rezoluciji, potrebno skeniranje tačke po tačku je mehanički sporo. mosTF sistem značajno smanjuje vreme skeniranja bez žrtvovanja rezolucije.“
Skeniranje cele linije uzorka je inherentno brže od skeniranja samo jedne tačke u isto vreme, ali izaziva mnogo rasipanja. Da bi upravljali tim rasejanjem, neki sistemi opsega samo odbacuju rasute fotone kao buku, ali se onda gube, rekao je glavni autor Ii Ksue, docent na UC Davisu i bivši diplomirani student u laboratoriji odgovarajućeg autora Petera T.C. Dakle, profesor mašinstva i biološkog inženjerstva na MIT-u.
Noviji jednolinijski i mosTF sistemi proizvode jači signal (na taj način rešavajući manje i slabije karakteristike stimulisanih neurona) algoritamskim preraspodelom rasutih fotona nazad u njihovo poreklo. U dvodimenzionalnoj slici, taj proces se bolje postiže korišćenjem informacija koje proizvodi dvodimenzionalni sistem upravnog pravca kao što je mosTF, nego jednodimenzionalni sistem u jednom pravcu, rekao je Ksue.
„Naše pobudno svetlo je linija, a ne tačka – više kao svetlosna cev nego sijalica – ali proces rekonstrukcije može samo da preraspodeli fotone na liniju pobude i ne može da se nosi sa rasipanjem unutar linije“, objasnio je Ksue.
„Zbog toga, korekcija rasejanja se vrši samo duž jedne dimenzije za 2D sliku. Da bismo ispravili rasejanje u obe dimenzije, moramo da skeniramo uzorak i ispravimo rasejanje i duž druge dimenzije, što rezultira ortogonalnom strategijom skeniranja.“
U studiji, tim je testirao svoj sistem direktno u odnosu na tačku po tačku (dvofotonski laserski skenirajući mikroskop – TPLSM) i mikroskop za vremensko fokusiranje (lineTF) za linijsko skeniranje. Oni su snimili fluorescentne perle kroz vodu i kroz rastvor natopljen lipidima koji bolje simulira vrstu rasejanja koja nastaje u biološkom tkivu. U rastvoru lipida, mosTF je proizveo slike sa 36 puta boljim odnosom signal-pozadina od lineTF.
Za definitivniji dokaz, Ksue je radio sa Josiahom Boivinom u laboratoriji Nedivi na slikanju neurona u mozgu živog, anesteziranog miša, koristeći mosTF. Čak iu ovom mnogo složenijem okruženju, gde pulsacije krvnih sudova i kretanje disanja stvaraju dodatne zabune, mosTF opseg je ipak postigao četiri puta bolji odnos signala i pozadine.
Ono što je važno, bilo je u stanju da otkrije karakteristike u kojima žive mnoge sinapse: bodlje koje strše duž procesa nalik na vinovu lozu, ili dendrite, koji rastu iz tela neuronske ćelije. Praćenje plastičnosti zahteva mogućnost gledanja kako te kičme rastu, smanjuju se, dolaze i odlaze, preko cele ćelije, rekao je Nedivi.
„Naša stalna saradnja sa laboratorijom So i njihova stručnost u razvoju mikroskopa omogućili su in vivo studije koje su nepristupačne korišćenjem konvencionalnih dva fotonska mikroskopa van kutije“, dodala je ona.
Tako je rekao da već planira dalja poboljšanja tehnologije.
„Nastavljamo da radimo na cilju razvoja još efikasnijih mikroskopa kako bismo još efikasnije gledali na plastičnost“, rekao je So. „Brzina mosTF-a je i dalje ograničena potrebom za korišćenjem kamera visoke osetljivosti i niske buke koje su često spore. Sada radimo na sistemu sledeće generacije sa novim tipom detektora kao što su hibridni fotomultiplikator ili nizovi fotodioda sa lavinom koji su osetljivi i brzo.“
