Технологии изображения обещают глубочайшие взгляды на живую мозговую ткань при разрешении с одним клетками | MIT News

Как в исследованиях, так и для медицинских целей исследователи потратили десятилетия, раздвигая пределы микроскопии, чтобы создавать все более глубокие и более четкие изображения мозговой активности не только в коре, но и в нижних областях, таких как гиппокамп. В новом исследовании команда ученых и инженеров MIT демонстрирует новую систему микроскопа, способную вспомнить исключительно глубокие ткани мозга, чтобы обнаружить молекулярную активность отдельных клеток с использованием звука.

«Основным прогрессом здесь является то, чтобы мы могли глубже представить в разрешении с одним ячейком»,-говорит Neuroscientist Мриганка насоответствующий автор вместе с профессором машиностроения Петр так и главный научный сотрудник Брайан ЭнтониПолем SUR является профессором Пола и Лилы Ньютон в Институте обучения и памяти Пикауэр, а также Департамент мозга и когнитивных наук в MIT.

В журнале Свет: наука и приложения, Команда демонстрирует, что они могут обнаружить NAD (P) H, молекулу, тесно связанную с метаболизмом клеток в целом и электрической активностью в нейронах, в частности, в течение всего пути через такие образцы, как 1,1-миллиметровая «мозговая органоид», ткани, похожая на мозг 3D-миниму, и полянут мозговой ткани мозговой мозга.

Фактически, говорит автор и постдок-инженер по постдоку В. Дэвид Ли, который задумал инновационный дизайн микроскопа, система могла бы заглянуть гораздо глубже, но испытательные образцы не были достаточно большими, чтобы продемонстрировать это.

«Именно тогда мы ударили по стеклу с другой стороны», – говорит он. «Я думаю, что мы очень уверены в том, чтобы идти глубже».

Тем не менее, глубина 1,1 миллиметра более чем в пять раз глубже, чем другие технологии микроскопа, могут разрешить NAD (P) H в плотной мозговой ткани. Новая система достигла глубины и резкости, объединив несколько передовых технологий, чтобы точно и эффективно возбудить молекулу, а затем обнаружить результирующую энергию, не добавляя никаких внешних меток, либо через добавленные химические вещества, либо генетически инженерную флуоресценцию.

Вместо того, чтобы сосредоточить необходимую энергию возбуждения NAD (P) H на нейроне с почти ультрафиолетовым светом на его нормальном пиковом поглощении, прицел выполняет возбуждение, сосредотачивая интенсивный, чрезвычайно короткий всплеск света (квадриллион секунды) в три раза превышает нормальную длину волны абсорбции. Такое «трехфотонное» возбуждение проникает глубоко в ткань с меньшим рассеянием от тканей мозга из-за более длинной длины волны света («как туманные лампы»,-говорит Сур). Между тем, хотя возбуждение дает слабый флуоресцентный сигнал света из NAD (P) H, большая часть поглощенной энергии дает локализованное (около 10 микрон) термическое расширение в ячейке, которая производит звуковые волны, которые перемещаются относительно легко через ткань по сравнению с флуоресцентным излучением. Чувствительный ультразвуковой микрофон в микроскопе обнаруживает эти волны, и, с достаточным количеством звуковых данных, программное обеспечение превращает их в изображения высокого разрешения (так же, как это делает сонограмма). Визуализация, созданная таким образом, является «трехфотонной фотоакустической визуализацией».

«Мы объединили все эти методы-трехфотонное, без лейбла, фотоакустическое обнаружение»,-говорит автор со-ведущего Тацуя Осаки, научный сотрудник Института Пикаура в лаборатории SUR. «Мы интегрировали все эти передовые методы в один процесс, чтобы установить эту платформу« многофотонный и акустический ».

Ли и Осаки в сочетании с исследователем Сян Чжан и Постдоком Ребеккой Зубаджло возглавили исследование, в котором команда продемонстрировала надежное обнаружение звукового сигнала через образцы. До сих пор команда создала визуальные изображения из звука на разных глубинах, когда они уточняют обработку сигналов.

В исследовании команда также демонстрирует одновременную визуализацию «третьего Гармонического поколения», которая поступает из трехфотонной стимуляции и мелко визуалирует клеточные структуры, наряду с их фотоакустической визуализацией, которая обнаруживает NAD (P) H. Они также отмечают, что их фотоакустический метод может обнаружить другие молекулы, такие как генетически кодируемый индикатор кальция GCAMP, который нейробиологи используют для сигнала нейронной электрической активности.

Благодаря концепции без меток, многофотонной, фотоакустической микроскопии (LF-MP-PAM), установленной в статье, команда теперь стремится к нейробиологии и клиническим приложениям.

Например, через компанию Precision Healing, Inc.который он основал и продал, Ли уже установил, что визуализация NAD (P) H может информировать уход за раной. В мозге известно, что уровни молекулы различаются в таких состояниях, как болезнь Альцгеймера, синдром Ретта и судороги, что делает его потенциально ценным биомаркером. Поскольку новая система не содержит метки (т. Е. Нет дополнительных химических веществ или измененных генов), она может использоваться у людей, например, во время операций на мозге.

Следующий шаг для команды-продемонстрировать его у живого животного, а не только в тканях in vitro и ex-vivo. Техническая задача заключается в том, что микрофон больше не может быть на противоположной стороне выборки из источника света (как это было в текущем исследовании). Это должно быть на вершине, как и источник света.

Ли говорит, что он ожидает, что полная визуализация на глубине 2 миллиметров в живом мозге является полностью осуществимой, учитывая результаты в новом исследовании.

«В принципе, это должно работать», – говорит он.

Mercedes Balcells и Elazer Edelman также являются авторами бумаги. Финансирование для исследования поступило из источников, включая Национальные институты здравоохранения, Центр социального мозга Саймона, лабораторию Питера SO, Институт обучения и памяти Пикауэр, а также Фонд Freedom Together.