Китайские ученые создали микроскоп для цветной съемки мозга в движении

Китайские ученые впервые в мире добились многоцветной визуализации глубоких отделов мозга у свободно передвигающихся мышей с помощью нового миниатюрного двухфотонного микроскопа. Это достижение открывает новые возможности для изучения сложных механизмов работы мозга. Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Nature Methods.

Работа мозга обеспечивается скоординированной деятельностью десятков миллиардов нейронов. Точная фиксация динамических изменений в их активности долгое время оставалась одной из главных задач в нейробиологии. Двухфотонная микроскопия, являясь методом оптической визуализации, позволяет получать изображения с высоким разрешением из глубоких слоев ткани, что делает ее ключевым инструментом в этой области.

Прорыв стал возможен благодаря разработке нового сверхширокополосного оптоволокна с полой сердцевиной. Предыдущие версии таких волокон могли передавать лазерные импульсы только на одной длине волны, что ограничивало возможности визуализации. Новое волокно, созданное исследователями из Пекинского университета и Пекинского университета информационных наук и технологий, способно передавать фемтосекундные лазерные импульсы в широком диапазоне длин волн. Это позволило создать многоцветный микроскоп весом всего 2,6 грамма.

В ходе эксперимента ученые разместили устройство на головах мышей с моделью болезни Альцгеймера. Им удалось одновременно зафиксировать трехцветные изображения, показывающие кальциевые сигналы нейронов, активность митохондрий и отложения бляшек, характерные для заболевания. Наблюдения выявили аномальную активность клеток и митохондрий вблизи бляшек даже на ранних стадиях болезни.

Один из исследователей сравнил новую технологию с «прямой цветной трансляцией динамической активности нейронов и органелл в мозге». Если раньше микроскопы позволяли наблюдать только за одним типом клеток, то теперь, маркируя разные клетки флуоресцентными метками разных цветов, можно изучать их сложные взаимодействия в реальном времени.

Новый микроскоп также установил рекорд по глубине визуализации для подобных портативных устройств, получив четкие изображения из коры головного мозга мыши на глубине более 820 микрометров без повреждения тканей. Кроме того, объектив позволяет быстро переключаться между панорамным обзором и детальным изображением высокого разрешения.

По словам руководителей проекта, решение проблемы многоцветной визуализации в миниатюрных микроскопах является прорывом в изучении сложных нейронных сетей. Ожидается, что технология найдет широкое применение в понимании принципов познания, изучении механизмов заболеваний мозга, оценке эффективности нейрофармацевтических препаратов и разработке интерфейсов «мозг-компьютер».