Um zu verstehen, das Gehirn, die Wissenschaftler müssen in der Lage sein zu sehen, das Gehirn-Zelle für Zelle, und von moment zu moment. Jedoch, weil die Gehirne bestehen aus Milliarden mikroskopisch beweglichen Teile, treu Aufnahme Ihrer Tätigkeit mit vielen Herausforderungen. In dichten säugetier-Gehirn, zum Beispiel, ist es schwer zu verfolgen, schnelle zelluläre Veränderungen, die über mehrere Gehirn-Strukturen-vor allem, wenn diese Strukturen befinden sich tief im Gehirn.
Einer neuartigen Mikroskopie-Technik, entwickelt von der Rockefeller-Wissenschaftler, integriert neue und bestehende Ansätze zu helfen, mehr zusammenhalt Bild des Gehirns. Beschrieben in der Zelle, die Technologie erfasst die zelluläre Aktivität über große Mengen von Nervengewebe, mit beeindruckender Geschwindigkeit und in neue tiefen.
Laser konzentriert
Seit Jahrzehnten, Bildgebung des Gehirns geplagt hat, von trade-offs. Einige Techniken produzieren schöne Bilder aber nicht aufgezeichnet neuronale Aktivität in Echtzeit. Andere, die mithalten können mit dem Gehirn ist die Geschwindigkeit, aber schlechte räumliche Auflösung. Und zwar gibt es Taktiken, die erfolgreich kombinieren Schnelligkeit und Bildqualität, die Sie erfassen typischerweise nur eine kleine Anzahl von Zellen.
„Dies ist zum Teil, weil die Grenzen, die bestimmen, diese Nachteile wurden nicht untersucht oder geschoben werden in eine systematische und integrierte Art und Weise“, sagt Alipasha Vaziri, der Leiter des Labors für Neurotechnologie und Biophysik.
Hoffnung auf Ende der ära von trade-offs, Vaziri vor kurzem bemüht zu verbessern, auf eine Technik, bekannt als zwei-Photonen (2p) – Mikroskopie. Es beinhaltet die Anwendung eines Lasers bewirkt, dass bits von Hirngewebe zu fluoreszieren oder Leuchten; und für viele Forscher, 2p ist seit langem der gold-standard zur Untersuchung der zellulären Aktivität im Gehirn.
Doch diese Technik hat Ihre Grenzen. Standard-2p-Mikroskopie erfordert die Punkt-für-Punkt-abtasten einer bestimmten region, die Ergebnisse in die langsame Bildgebung. Um dieses Problem zu beheben, Vaziri und seinen Kollegen implementiert eine neuartige Strategie, die es erlaubt die Aufnahme von mehreren Gehirn-Regionen parallel, während sorgfältige Kontrolle der Größe und Form von jedem Ort aufgezeichnet.
Eine weitere Schwäche der traditionellen 2p ist, dass es Maßnahmen nur die Oberfläche, oder cortex, des Gehirns, vernachlässigt Strukturen tief im organ, wie dem hippocampus, der beteiligt ist, bei der Speicherung von Erinnerungen.
„Eine der größten Herausforderungen in den Neurowissenschaften ist die Entwicklung bildgebender Verfahren, die Messung der Aktivität der tiefen Regionen des Gehirns, während die Aufrechterhaltung einer hohen Auflösung“, sagt Vaziri.
Sich dieser Herausforderung, die er nutzen wollte, um eine neuere Technologie: drei-photon (3p) – Mikroskopie. In der Erwägung, dass 2P nicht zu erreichen über die Oberfläche, oder cortex, im Gehirn einer Maus, 3p dringt in tiefere Regionen. Als hybrid-Multiplex-Skulpturen Licht-Mikroskopie -, oder Hymns, Vaziri neuste innovation gilt, 2P-und 3P gleichzeitig, so dass die Forscher zu generieren, sich ein Bild von schnellen zellulären Aktivität über mehrere Ebenen von Gehirn Gewebe.
Deep dive
Neben der hybrid-laser-Strategie, Hymns integriert auch andere aktuelle technische und konzeptionelle Weiterentwicklungen im Bereich — eine synergistische Ansatz, Vaziri sagt, führte die Entwicklung der Technologie. Das Ziel, sagt er, war, um zu maximieren die Menge an biologischen Informationen, die erhalten werden durch multi-photon excitation microscopy, während die Minimierung der Hitze, die nach dieser Methode hergestellt. Und beim testen Ihres neuen Systems, die Wissenschaftler sicher erhalten eine Menge von Informationen.
Hymns verfügt über die höchste frame-rate zur Verfügung 3p-Techniken, was bedeutet, es kann capture biologische Veränderungen im Rekordtempo. Und während es bei früheren Techniken gescannt nur eine einzige Ebene der Gewebe, diese Technologie erhalten Informationen aus dem gesamten Gewebe Probe und ermöglicht Benutzern das aufzeichnen von so vielen wie die 12.000 Neuronen auf einmal. Ein weiterer Vorteil von Hymns ist seine Fähigkeit, gleichzeitiges Messen der Aktivität von Hirnarealen bei unterschiedlichen tiefen. Da die verschiedenen Schichten des Gehirns tauschen ständig Signale, sagt Vaziri, tracking der Wechselwirkung zwischen diesen Regionen ist der Schlüssel zum Verständnis, wie der organ-Funktionen.
„Bevor die Menschen gar nicht sehen können auf die Aktivität von Neuronen über die gesamte Tiefe des Kortex, der hat mehrere Ebenen, die alle gleichzeitig“, sagt er. „Mit dieser Technologie können Sie tatsächlich sehen, was den Informationsfluss sieht aus wie in der Rinde, und zwischen kortikalen und subkortikalen Strukturen.“
Zusätzlich zu Sondieren neue tiefen, Hymns Wissenschaftler können aufzeichnen der Aktivität des Gehirns von Tieren, wie Sie aktiv mit Ihrer Umgebung. In einem letzten experiment, die Forscher zum Beispiel verwendet die Technologie zur Erfassung von Signalen, die aus tausenden von Maus-Neuronen wie ein Tier, ging auf einem Laufband oder hörte Geräusche. Die Tatsache, dass Sie in der Lage waren, um gute Aufnahmen deutet darauf hin, dass die Technik kann verwendet werden, um die überwachung großer zellpopulationen wie Tiere verschiedene Aufgaben — eine Anwendung, die helfen, Aufklärung der neuronalen Mechanismen, die verschiedene Aspekte des Verhaltens und der Wahrnehmung.
Weiter, sagt Vaziri, Techniken wie Hymns, wird entscheidend sein für die Forscher hoffen, besser zu verstehen, wie das Gehirn die Informationen verarbeiten. Neuronen im Gehirn sind eng miteinander verknüpft und die Informationen oft dargestellt-nicht von einzelnen Zellen, sondern durch die Mitgliedstaaten des Netzwerks.
„Um zu verstehen, die Dynamik des Netzes“, sagt er, „Sie brauchen, um genaue Messungen großer Teile des Gehirns bei einer single-neuron-Ebene. Das ist es, was wir hier getan haben.“