Микроскоп весом 5 граммов заглянул в работающий мозг

Инженеры и нейробиологи из университетов Колорадо создали миниатюрный двухфотонный микроскоп Opto2P-FCM. Он крепится на голове мыши и позволяет наблюдать активность отдельных нейронов, пока животное свободно двигается.


Сам по себе миниатюрный микроскоп для мозга — не новая идея. Такие устройства уже позволяют записывать активность нейронов у животных, которые бегают, исследуют пространство и взаимодействуют с окружающей средой. Новая работа команды University of Colorado Anschutz и University of Colorado Boulder добавляет к наблюдению вторую возможность: выбранные клетки можно одновременно активировать светом.

Устройство весит около пяти граммов. В нём совмещены двухфотонная микроскопия и оптогенетика — метод, при котором генетически подготовленные нейроны реагируют на свет. Один оптический канал формирует изображение, второй направляет световой рисунок на конкретные клетки. Благодаря этому исследователь может сначала увидеть работу небольшой нейронной сети, затем воздействовать на выбранные нейроны и посмотреть, как меняется остальная сеть и поведение животного.

Именно сочетание этих функций авторы считают главным результатом. Двухфотонная микроскопия даёт высокое пространственное разрешение и позволяет работать глубже в ткани, но классические установки обычно требуют фиксировать голову животного. Более простые минископы дают свободу движения, однако уступают по качеству изображения или не позволяют столь точно воздействовать на отдельные клетки.

В опытах систему проверяли на свободно движущихся мышах. Исследователи получили изображения нейронов и продемонстрировали адресную двухфотонную стимуляцию клеток. Это пока исследовательский прототип, а не прибор для диагностики человека. Авторы уже планируют сделать следующую версию меньше, легче и быстрее, одновременно увеличив поле зрения.

Старший автор работы Эмили Гибсон объясняет смысл разработки просто: чтобы понять мозг, недостаточно наблюдать, какие нейроны активируются. Нужно иметь возможность включить определённые клетки и увидеть, что произойдёт с сетью. Профессор Джульет Гопинат из CU Boulder называет особенно важным то, что чтение активности и фотостимуляция теперь помещены в одном миниатюрном приборе.

Практическая ценность здесь не в лечении болезни самим микроскопом. Он может стать инструментом для исследований памяти, ориентации, социальных взаимодействий и нарушений нейронных цепей при болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона и эпилепсии. До клинического применения дистанция очень большая: нынешние эксперименты проведены на животных и требуют генетически заданной светочувствительности клеток.


Главное изменение — возможность задавать мозгу вопрос во время естественного поведения, а не только наблюдать за ним. Исследователь видит активность, выбирает несколько клеток, воздействует на них и сразу проверяет, что изменилось. Для нейробиологии это гораздо ближе к эксперименту с причинно-следственной связью, чем к красивой видеозаписи нейронов.

Фото: редакция ИЗНАНКИ.