Vysokorychlostní mikroskop může nabídnout pohled na autismus, schizofrenii

Předpokládá se, že některé poruchy mozku, jako je schizofrenie, autismus a mentální retardace, jsou způsobeny poruchou komunikace mozkových buněk a nemají žádné snadno detekovatelné fyzické příznaky vedoucí k diagnóze. Ve skutečnosti jsou dokonce fMRI a PET skeny v těchto případech schopny nabídnout pouze omezené podrobnosti mozkové aktivity.

Nyní neurovědci z Kalifornské univerzity v Los Angeles (UCLA) spojili své síly s fyziky, aby vyvinuli neinvazivní, extrémně vysokorychlostní mikroskop, který okamžitě zachytí odpálení tisíců neuronů v mozku při komunikaci - nebo v těchto případech - spolu špatně komunikovat.

"Podle našeho názoru se jedná o nejrychlejší dvoufotonový excitační mikroskop na světě pro trojrozměrné zobrazování in vivo," uvedla profesorka fyziky UCLA Dr. Katsushi Arisaka, která vyvinula optický zobrazovací systém s Dr. Carlosem Portera-Cailliau, odborným asistentem UCLA. neurologie a neurobiologie a kolegové.

Vzhledem k tomu, že neuropsychiatrická onemocnění, jako je autismus, schizofrenie a mentální retardace, obvykle nevykazují žádné fyzické poškození mozku, předpokládá se, že jsou způsobena problémy s vodivostí - neurony nevystřelují správně. Normální buňky mají vzorce elektrické aktivity, řekl Portera-Cailliau, ale nepravidelná buněčná aktivita jako celek nevytváří užitečné informace, které může mozek použít.

"Jednou z největších výzev pro neurovědu v 21. století je pochopit, jak miliardy neuronů, které tvoří mozek, spolu komunikují a vytvářejí složité chování," řekl.

"Konečným přínosem tohoto typu výzkumu bude dešifrování toho, jak dysfunkční vzorce aktivity mezi neurony vedou ke zničujícím symptomům u různých neuropsychiatrických poruch."

Nedávno společnost Portera-Cailliau používala zobrazování vápníku, což je metoda, při které neurony přijímají fluorescenční barviva. Když buňky vystřelí, „blikají jako světla na vánočním stromečku,“ řekl. "Naší úlohou nyní je dešifrovat kód, který používají neurony, který je pohřben v těch blikajících světelných vzorcích."

Nicméně, říká Portera-Cailliau, tato technika má svá omezení.

"Signál fluorescenčního barviva na bázi vápníku, který jsme použili, zmizel, jak jsme se zobrazovali hlouběji do kůry." Nemohli jsme si představit všechny buňky, “řekl.

Portera-Cailliau a jeho tým také věřili, že jim chybí důležité informace, protože nedokázali dostatečně rychle zachytit dostatečně velkou část mozku, aby mohli měřit skupinové odpalování jednotlivých neuronů. To byl klíčový faktor, který přiměl Arisaku a Adriana Chenga, jednoho z jeho postgraduálních studentů, hledat rychlejší metodu záznamu neuronů.

Mikroskop, který vyvinuli, je multifokální dvoufotonová mikroskopie s časoprostorovým excitačně-emisním multiplexováním (STEM). Jedná se o upravenou verzi dvoufotonového laserového skenovacího mikroskopu, který zaznamenává fluorescenční vápníková barviva uvnitř neuronů, ale s hlavním laserovým paprskem rozděleným na čtyři menší paprsky.

Tato technika jim umožňuje zaznamenat čtyřikrát více mozkových buněk než původní verze, čtyřikrát rychleji. Také byl použit jiný paprsek pro záznam neuronů v různých hloubkách uvnitř mozku, což dalo obrazu zcela nový 3D efekt.

„Většina videokamer je navržena tak, aby snímala obraz rychlostí 30 obrázků za sekundu. To, co jsme udělali, bylo zrychlit to 10krát na zhruba 250 obrázků za sekundu, “řekl Arisaka. "A pracujeme na tom, aby to bylo ještě rychlejší."

Výsledek, řekl, „je trojrozměrné video s vysokým rozlišením aktivity neuronových obvodů u živého zvířete.“

Portera-Cailliau již sklízí výhody této zobrazovací techniky ve svých studiích syndromu Fragile X, formy autismu. Pomocí této nové technologie je schopen porovnat mozkovou kůru normální myši s myší Fragile X mutant a být svědkem vynechávání neuronů v mozku Fragile X.

Studii lze najít v časopise z 9. ledna Přírodní metody.

Zdroj: Kalifornská univerzita