Un nou sistem de imagistică cu lumini în foi urmărește dinamica convulsiilor cerebrale în 3D
Convulsiile pot traversa creierul în câteva secunde, ceea ce face dificilă capturarea lor în detaliu.
Pentru a depăși această provocare, cercetătorii au dezvoltat un nou sistem de imagistică cu foi de lumină, de înaltă rezoluție, care este suficient de rapid pentru a imagistica propagarea convulsiilor în creierul peștilor zebra larvali în 3D.
„Am dezvoltat un microscop cu foi de lumină care permite imagistica volumetrică rapidă, cu corecția în timp real a aberațiilor – imperfecțiuni în modul în care un microscop formează o imagine. Cele mai multe imagini ale evenimentelor convulsive în peștii zebra au surprins doar imagini 2D, dar sistemul nostru permite imagistica 3D de înaltă rezoluție pe un volum mai mare decât era posibil anterior”, a declarat Peter Kner.
În revista Biomedical Optics Express, cercetătorii demonstrează că noul lor sistem de microscopie poate captura volume de până la 499 × 499 × 150 micrometri cubi la o rată de patru volume pe secundă, cu o rezoluție aproape de limita difracției. Au folosit sistemul pentru a observa cum se răspândesc convulsiile prin sistemul nervos al larvelor de pește zebra, care sunt utilizate frecvent în cercetările neuroștiințifice.
„Informațiile detaliate de imagistică disponibile prin tehnica noastră rapidă de imagistică volumetrică ar putea oferi noi perspective asupra mecanismelor de formare și propagare a convulsiilor, ajutând la dezvoltarea unor terapii mai eficiente”, a adăugat Kner. „În general, abordarea ar putea îmbunătăți înțelegerea modului în care funcționează creierul, contribuind la informarea tratamentului diferitelor boli și tulburări cerebrale.”
Noul proiect a început cu scopul de a înțelege cum se răspândesc convulsiile în creier și cum influențează acest proces gena gad1b. Această genă ajută la controlul neurotransmițătorului GABA, care este important în dezvoltarea și semnalizarea creierului. După ce au utilizat microscopie cu foi de lumină 2D pentru a captura activitatea convulsivă în peștii zebra normali și în cei lipsiți de gena gad1b, cercetătorii au dorit să vizualizeze cum se desfășoară aceste evenimente în 3D.
Microscopia cu foi de lumină utilizează o fâșie subțire de lumină pentru a ilumina mostra din lateral, reducând drastic lumina de fundal care nu este focalizată, comparativ cu microscopul cu câmp larg. De asemenea, este mult mai rapidă și mai puțin fototoxică decât tehnici precum microscopie confocală care blochează, de asemenea, lumina de fundal.
În lucrări anterioare, cercetătorii au construit un sistem de microscopie cu foi de lumină cu un câmp de vedere mare și optică adaptivă fără senzor, o abordare care calculează corecțiile optice direct din măsurătorile calității imaginii. Totuși, sistemul necesita aproximativ 1,75 secunde pentru a obține un singur volum brut, ceea ce nu era suficient de rapid pentru a captura activitatea cerebrală în schimbare rapidă în 3D.
Pentru a crea un sistem de imagistică mai rapid, cercetătorii au folosit o lentilă electric tunabilă pentru a muta rapid planul focal prin mostră. Deși aceasta a accelerat achiziția imaginilor, cercetătorii au trebuit, de asemenea, să dezvolte o metodă de sincronizare a actualizărilor optice adaptive la scară de milisecunde cu camera și componentele de scanare ale microscopului. Împreună, aceste îmbunătățiri au făcut posibilă obținerea imaginisticii volumetrice continue și de înaltă viteză, fără a sacrifica calitatea imaginii.
Cercetătorii au folosit noul lor microscop cu foi de lumină pentru a imagistica propagarea convulsiilor induse în larvele de pește zebra. Acesta a obținut continuu 600 de volume pe parcursul a 2,5 minute – o viteză de șapte ori mai rapidă decât sistemul anterior.
Imaginile cu peștii zebra au arătat că convulsiile au avut originea în regiunea din spate a creierului, s-au propagat înainte spre tectumul optic – o regiune a creierului implicată în procesarea informațiilor vizuale – și apoi au început să se diminueze treptat pe parcursul a zeci de secunde.
Următorii pași pentru cercetători includ utilizarea sistemului pentru a imagistica mai multe mostre, inclusiv pești zebra lipsiți de gena gad1b. De asemenea, lucrează la o abordare de estimare directă a frontului de undă pentru a corecta aberațiile în mostra de pește zebra, nu doar în sistemul optic.
