Исследователи из Массачусетского технологического института разработали принципиально новый подход к изучению мозговой активности на клеточном уровне. Их система объединяет несколько передовых технологий для создания изображений мозговой ткани с клеточным разрешением. Работа опубликована в журнале Light: Science & Applications.
Новый метод визуализации показывает ткани мозга с разрешением в одну клетку
Ученые из Массачусетского технологического института создали систему, способную заглядывать в мозговую ткань с помощью звуковых волн, отслеживая активность отдельных клеток.
Фотография новой многофотонной, фотоакустической, безметочной микроскопической системы Массачусетского технологического института. Tatsuya Osaki/MIT Picower Institute
Возможность наблюдения мозга с клеточным разрешением меняет и нейробиологию и медицину. Сегодня мы можем наблюдать клетки мозга генномодифицированных мышей, потому что в нейроны встроены флуоресцентные белки и они светятся под лазером. С человеком так не получится. Но оказалось, что под воздействием света начинает «звенеть» сам нейрон, и этот звук можно визуализировать и увидеть клетки.
Свет звука
Фотоакустическое изображение органоидов головного мозга и среза мозга с молекулой NADH.
Система посылает импульс света длительностью в квадриллионную долю секунды в исследуемую ткань. Этот импульс имеет сравнительно большую длину волны, что позволяет ему проникать в ткань без рассеивания.
«Основное достижение здесь — это возможность получать изображения глубже при разрешении до отдельных клеток», — отмечает соавтор работы Мриганка Сур.
Молекулы NAD(P)H внутри клеток в органоиде головного мозга определяются фотоакустическим (синий цвет слева) и оптическим (черно-белый цвет справа) способами. Глубина изображения 0,2 мм.
Световое воздействие вызывает локальное тепловое расширение клеток размером около 10 микрон, которое генерирует звуковые волны. Эти волны проходят через ткань. Чувствительный ультразвуковой микрофон улавливает эти сигналы, а специальное программное обеспечение преобразует звуковые данные в высококачественные изображения.
Технология позволяет обнаруживать молекулу NAD(P)H, тесно связанную с клеточным метаболизмом и электрической активностью нейронов. Исследователи успешно протестировали систему на образцах толщиной 1,1 мм — это в пять раз глубже, чем могут проникнуть существующие микроскопические технологии.
Метод не требует добавления внешних меток или генетических модификаций, так что его можно использовать на людях, например, во время нейрохирургических операций. Уровни NAD(P)H изменяются при болезни Альцгеймера, синдроме Ретта и эпилепсии, что делает эту молекулу особенно ценным биомаркером.