Dok miš istražuje svoju okolinu, milioni neurona u mozgu se aktiviraju sinhronizovano. Proučavati samo mali deo po deo značilo bi propustiti šumu zbog drveća, ali moćni mikroskopi koji mogu istovremeno da zahvate ceo mozak miša su preteški da bi se mogli montirati na miša koji se kreće.
Sada, nova studija objavljena u Nature Biomedical Engineering predstavlja inovativno rešenje za ovaj problem: mikroskop koji je težak samo koliko američki peni, ali može da uhvati široke delove moždane aktivnosti sa rezolucijom bez presedana.
„Sposobnost posmatranja mozga dok se miševi uključuju u prirodna ponašanja, kao što su društvene interakcije i hvatanje plena, unaprediće naše razumevanje toga kako je neuroaktivnost koja se distribuira u celom mozgu povezana sa naturalističkim ponašanjem“, kaže Alipaša Vaziri sa Univerziteta Rokfeler, koji je vodio studiju.
Veći sisari mogu da prime standardne mikroskope na glavi, a čak i pacovi mogu da podrže tehniku težine oko 20 grama, ili osam američkih penija. Međutim, miševi, koji su uzorni organizmi za razumevanje mozga na radu, mnogo su manji. Mikroskopi dizajnirani da im odgovaraju moraju težiti manje od 3 grama.
„Poslednjih godina videli smo eksploziju mikroskopa na glavi za miševe, ali oni obično podržavaju samo vidna polja od nekoliko stotina mikrometara u ćelijskoj rezoluciji, pošto složenost dizajna za veća vidna polja dolazi sa neodrživim kazna za težinu“, kaže Vaziri.
Postojeći modeli koji su dovoljno lagani da ih miševi mogu nositi uvek ugrožavaju vidno polje mikroskopa, rezoluciju i opseg dubine (ili njihovu kombinaciju) i skloni su artefaktima izazvanim pokretom.
Prethodni pokušaji da se prevaziđe ovo ograničenje bili su usmereni ka tome da bilo koja tehnologija koja je već postojala bude manja – zamena metalnih delova za plastične, na primer, uz održavanje osnovnog optičkog dizajna mikroskopa (posebno onih koji mogu da slikaju povećana vidna polja) u kojima je teško sočivo čini glavni deo težine.
Vaziri je rešio ovaj izazov u onome što on naziva „principijelnim pristupom“. Umesto da pokuša da složen sistem zasnovan na sočivima teži manje, on je pojasnio šta su zapravo ciljevi tehnologije: rešavanje problema mapiranja visoke rezolucije između tačaka u 3D zapremini uzorka do tačaka na 2D površini kamere.
Imajući to na umu, krenuo je da stvori lagani sistem koji je ispunio te ciljeve, a da se nije osećao ograničenim potrebom da se prilagodi sistemu zasnovanom na sočivima za očuvanje slike.
„Svi su koristili ova teška sočiva sa više elemenata i pokušavali da ih učine lakšima“, kaže Vaziri. „Umesto da pitamo kako da sočiva olakšamo, rešili smo inverzni problem i zaobišli problem, tako što smo razvili strategiju u suštini bez sočiva i oslobodili se nepotrebnih ograničenja formiranja slike na osnovu sočiva.“
Unesite difrakcione optičke elemente (DOE). Za razliku od konvencionalnih sočiva, koja imaju kontinuirano zakrivljenu površinu za stvaranje sferne zakrivljenosti fronta talasa, DOE koriste mikrostrukture da manipulišu svetlošću putem difrakcije, omogućavajući preciznu kontrolu svetlosnih talasa. Oni su kompaktni, lagani i efikasni.
U mikroskopiji, funkcija tradicionalnog sočiva je da mapira tačke u prostoru na objektu na ravan slike (poput senzora kamere), obezbeđujući da formirana slika podseća na stvarnu scenu. Međutim, kako se pokušava formirati slika sve većeg i većeg vidnog polja uz zadržavanje rezolucije, greške (optičke aberacije) uzrokovane jednim sočivom zahtevaju više elemenata sočiva, što rezultira složenim dizajnom sočiva.
Koristeći DOE, Vaziri laboratorija je pokazala da je moguće precizno mapirati pozicije između scene i senzora bez formiranja slike, a zatim koristiti računske metode za rekonstrukciju originalne scene.
Bez teškog složenog sočiva da ga optereti, mini mikroskop teži samo 2,5 grama i pruža slike koje mogu da snime široke delove mozga miša u vidnom polju od 3,6 k 3,6 mm 2 sa bočnom rezolucijom od 4 μm, dubinom od 300 μm. polje, i brzina snimanja od 16 svezaka u sekundi.
Većina njegovih delova može biti 3D štampana ili koristiti jeftine senzore kamere za mobilne telefone za potrošače. „Ako su laboratorije zainteresovane, lako bi mogle da naprave ove mikroskope po niskoj ceni“, kaže Vaziri.
Buduće iteracije mini mikroskopa mogu uključivati bežični prenos podataka — trenutni model dolazi sa kablovima koji neće stati na put jednom mišu, ali se lako mogu zapetljati dok posmatraju više miševa koji međusobno komuniciraju — i fino podešavanje tehnologija koja omogućava posmatranje oblasti mozga koje se nalaze dublje unutar korteksa.
„Sistem dolazi sa nekim žrtvama i nije ni približno tako visokih performansi kao veći mikroskopi“, kaže Vaziri. „Ali ovo je ključna inovacija, koja je mogla proizaći samo iz unošenja novog razmišljanja o problemu i oslobađanja od uočenih ograničenja.“
