Forskare har utvecklat ett endoskop så tunt som ett människohår som kan avbilda neurons aktivitet i hjärnan hos levande möss. Eftersom det är så tunt, endoskopet kan nå djupt in i hjärnan, ger forskare tillgång till områden som inte kan ses med mikroskop eller andra typer av endoskop.

"Förutom att användas i djurstudier för att hjälpa oss att förstå hur hjärnan fungerar, detta nya endoskop kan en dag vara användbart för vissa applikationer hos människor, "sa Shay Ohayon, som utvecklade enheten som postdoktor i James DiCarlos laboratorium vid Massachusetts Institute of Technology. "Det kan erbjuda en mindre, och därmed bekvämare, instrument för avbildning i näshålan, till exempel."

Det nya endoskopet är baserat på en optisk fiber som bara är 125 mikron tjock. Eftersom enheten är fem till tio gånger tunnare än de minsta kommersiellt tillgängliga mikroendoskopen, den kan skjutas djupare in i hjärnvävnaden utan att orsaka betydande skada.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Biomedicinsk optik Express , forskarna rapporterar att endoskopet kan fånga bilder i mikronskala upplösning av neuroner som skjuter. Detta är första gången som avbildning med ett så tunt endoskop har demonstrerats hos ett levande djur.

"Med vidare utveckling, det nya mikroendoskopet kan användas för att avbilda neuronaktivitet i tidigare otillgängliga delar av hjärnan, såsom den visuella cortexen hos primatdjursmodeller, "sa Ohayon." Det kan också användas för att studera hur neuroner från olika regioner i hjärnan kommunicerar med varandra. "

Skaffa bilder från en fiber

Det nya mikroendoskopet är baserat på en multimod optisk fiber, som kan bära olika ljusstrålar samtidigt. När ljuset kommer in i fibern, det kan manipuleras för att generera en liten fläck i andra änden, och kan flyttas till olika positioner på vävnaden utan att flytta fibern. Genom att skanna den lilla fläcken över provet kan den excitera fluorescerande molekyler som används för att märka neuronaktivitet. När fluorescensen från varje fläck vandrar tillbaka genom fibern, bildas en bild av neuronaktivitet.

"För att uppnå skanning tillräckligt snabbt för att avbilda neuroner, vi använde en optisk komponent som kallas en digital spegelanordning (DMD) för att snabbt flytta ljuspunkten, "sa Ohayon." Vi utvecklade en teknik som tillät oss att använda DMD för att skanna ljus med hastigheter upp till 20 kilohertz, vilket är tillräckligt snabbt för att se fluorescens från aktiva neuroner. "

Eftersom multimodfibrerna som används för endoskopet krypterar ljus, forskarna tillämpade en metod som kallas wavefront shaping för att omvandla det förvrängda ljuset till bilder. För formning av vågfront, de skickade olika ljusmönster genom fibern till en kamera i andra änden och spelade in exakt hur den specifika fibern förändrade ljuset som passerade. Kameran togs sedan bort, och fibern placerad i hjärnan för avbildning. Den tidigare erhållna informationen om hur fibern ändrar ljuset används sedan för att generera och skanna en liten punkt över synfältet.

Imaging levande neuroner

Efter framgångsrik avbildning av odlade celler, forskarna testade sitt mikroendoskop på sövda möss. De satte in fibern genom ett litet hål i en skalle på en mus och sänkte den sakta ner i hjärnan. För att se hur neuronerna skjuter, forskarna använde en teknik som kallas kalciumavbildning som skapar fluorescens som svar på tillströmningen av kalcium som uppstår när en neuron eldar.

"En av fördelarna med att använda ett så tunt endoskop är att när du sänker ner det i hjärnan, du kan se alla blodkärl och navigera i fibern för att undvika att träffa dem, sa Ohayon.

Förutom att visa att deras endoskop kunde fånga detaljerad neuronal aktivitet visade forskarna också att flera ljusfärger kan användas för avbildning. Denna förmåga kan användas för att observera interaktioner mellan två grupper av neuroner var och en märkt med en annan färg, till exempel.

För standard avbildning, endoskopet avbildar neuronerna vid fiberns yttersta spets. Dock, forskarna visade också att mikroendoskopet kunde avbilda upp till cirka 100 mikron från spetsen. "Detta är mycket användbart eftersom när fibern sätts in i hjärnan, det kan påverka neurons funktion mycket nära fibern, "förklarade Ohayon." Att avbilda ett område något bort från fibern gör det lättare att fånga friska neuroner. "

Hanterar böjningar i fibern

En begränsning av mikroendoskopet är att alla böjningar i fibern gör att den tappar förmågan att producera bilder. Även om detta inte påverkade de experiment som beskrivs i tidningen eftersom fibern hölls rak när den pressades in i hjärnan, att lösa böjningsproblemet kan kraftigt utöka applikationerna för enheten. Olika forskargrupper arbetar med nya typer av fibrer som är mindre mottagliga för böjning och beräkningsmetoder som kan kompensera för böjning i realtid.

"Om detta böjningsproblem kan lösas, det kommer sannolikt att förändra hur endoskopi hos människor utförs genom att låta mycket tunnare sonder användas, "sa Ohayon." Detta skulle möjliggöra bekvämare avbildning än dagens stora endoskop och kan möjliggöra avbildning i delar av kroppen som för närvarande inte är möjliga. "