Швидкісний мікроскоп може запропонувати розуміння аутизму, шизофренії

Вважається, що певні розлади головного мозку, такі як шизофренія, аутизм та розумова відсталість, спричинені збоєм у спілкуванні клітин мозку і не мають легких для виявлення фізичних ознак, що ведуть до діагностики. Насправді навіть фМРТ та ПЕТ-сканування в цих випадках можуть запропонувати лише обмежені деталі мозкової діяльності.

Зараз неврологи Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі (UCLA) об'єднали зусилля з фізиками, щоб розробити неінвазивний надзвичайно швидкісний мікроскоп, який миттєво фіксує випалювання тисяч нейронів у мозку під час їх спілкування - або в цих випадках - неправильно спілкуватися між собою.

"На наш погляд, це найшвидший у світі двофотонний збудливий мікроскоп для тривимірного зображення in vivo", - сказав професор фізики UCLA д-р Кацусі Арісака, який розробив систему оптичного зображення з доктором Карлосом Портера-Кайо, доцентом UCLA неврології та нейробіології та колеги.

Оскільки нервово-психічні захворювання, такі як аутизм, шизофренія та розумова відсталість, як правило, не виявляють фізичних пошкоджень мозку, вони, як вважають, спричинені проблемами провідності - нейрони не спрацьовують належним чином. Звичайні клітини мають схеми електричної активності, сказав Портера-Кайо, але нерегулярні клітинні дії в цілому не створюють корисної інформації, яку може використовувати мозок.

"Однією з найбільших проблем для нейронауки в 21 столітті є розуміння того, як мільярди нейронів, що утворюють мозок, взаємодіють між собою, виробляючи складну поведінку", - сказав він.

"Найвища користь від цього типу досліджень буде при розшифровці того, як дисфункціональні моделі діяльності серед нейронів призводять до руйнівних симптомів при різних нервово-психічних розладах".

Нещодавно Портера-Кайо використовував зображення кальцію - метод, при якому нейрони поглинають флуоресцентні барвники. Коли клітини стріляють, вони «моргають, як вогники на ялинці», сказав він. "Наша роль зараз полягає в розшифровці коду, який використовують нейрони, і який похований у цих миготливих світлових моделях".

Однак, каже Портера-Кайо, ця техніка має свої обмеження.

«Сигнал флуоресцентного барвника на основі кальцію, який ми використовували, зникав, коли ми зображували глибше в корі. Ми не могли зобразити всі камери ", - сказав він.

Крім того, Портера-Каййо та його команда вважали, що їм бракує важливої ​​інформації, оскільки вони не можуть захопити досить великий відділ мозку досить швидко, щоб виміряти груповий випал окремих нейронів. Це був ключовий фактор, який спонукав Арісаку та Адріана Ченга, одного з його аспірантів, шукати більш швидкий метод запису нейронів.

Розроблений ними мікроскоп являє собою багатофокальну двофотонну мікроскопію з просторово-часовим мультиплексуванням збудження-випромінювання (STEM). Це модифікована версія двофотонних лазерних скануючих мікроскопів, які реєструють флуоресцентні барвники кальцію всередині нейронів, але з основним лазерним променем, розділеним на чотири менших пучка.

Ця техніка дозволяє записати в чотири рази більше клітин мозку, ніж оригінальна версія, в чотири рази швидше. Також інший промінь використовувався для запису нейронів на різній глибині мозку, надаючи зображенню абсолютно новий тривимірний ефект.

«Більшість відеокамер розроблені для зйомки зображення зі швидкістю 30 знімків в секунду. Що ми зробили, це пришвидшили в 10 разів, до приблизно 250 знімків на секунду », - сказав Арісака. "І ми працюємо над тим, щоб зробити це ще швидшим".

Результатом, за його словами, "є тривимірне відео з високою роздільною здатністю активності нейрональних ланцюгів у живої тварини".

Портера-Кайо вже користується перевагами цієї техніки візуалізації у своїх дослідженнях синдрому Тендітного Х, форми аутизму. Використовуючи цю нову технологію, він може порівняти кору звичайної миші з мишкою-мутантом Fragile X і засвідчити неправильне запалювання нейронів у мозку Fragile X.

З дослідженням можна ознайомитись у виданні журналу від 9 січня Методи природи.

Джерело: Каліфорнійський університет