Ett nytt mikroskop bryter en långvarig hastighetsbegränsning, spela in bilder av hjärnaktivitet 15 gånger snabbare än forskare en gång trodde var möjligt. Den samlar in data snabbt nog för att registrera nervcellernas spänningstoppar och frigörande av kemiska budbärare över stora områden, övervaka hundratals synapser samtidigt-ett stort steg för den kraftfulla bildteknik som kallas tvåfotonmikroskopi.
Tricket ligger inte i att böja fysikens lagar, men genom att använda kunskap om ett prov för att komprimera samma information till färre mätningar. Forskare vid Howard Hughes Medical Institutes Janelia Research Campus har använt det nya mikroskopet för att titta på mönster av neurotransmittor som släpps ut på musneuroner, de rapporterar 29 juli i Naturmetoder . Tills nu, det har varit omöjligt att fånga dessa millisekunders tidsmönster i hjärnan hos levande djur.
Forskare använder avbildning med två foton för att titta in i ogenomskinliga prover-som levande hjärnor-som är ogenomträngliga med vanlig ljusmikroskopi. Dessa mikroskop använder en laser för att excitera fluorescerande molekyler och mäter sedan det utsända ljuset. I klassisk tvåfotonmikroskopi, varje mätning tar några nanosekunder; att göra en video kräver att man tar mätningar för varje pixel i bilden i varje bildruta.
Den där, i teorin, begränsar hur snabbt man kan ta en bild, säger studieförfattaren Kaspar Podgorski, en kollega på Janelia. "Du skulle tro att det skulle vara en grundläggande gräns -antalet pixlar multiplicerat med minsta tid per pixel, "säger han." Men vi har brutit denna gräns genom att komprimera mätningarna. "Tidigare har den typen av hastighet kunde bara uppnås över små områden.
Det nya verktyget - Scanned Line Angular Projection -mikroskopi, eller SLAP — gör den tidskrävande datainsamlingsdelen mer effektiv på några sätt. Den komprimerar flera pixlar till en mätning och skannar endast pixlar i intressanta områden, tack vare en enhet som kan styra vilka delar av bilden som belyses. En högupplöst bild av provet, fångat innan tvåfotonbilden börjar, guidar omfattningen och låter forskare dekomprimera data för att skapa detaljerade videor.
Ungefär som en CT -skanner, som bygger upp en bild genom att skanna en patient från olika vinklar, SLAP sveper en ljusstråle över ett prov längs fyra olika plan. Istället för att spela in varje pixel i strålens väg som en individuell datapunkt, omfånget komprimerar punkterna på den raden tillsammans till ett tal. Sedan, datorprogram raderar pixlarna för att få data för varje punkt i urvalet - ungefär som att lösa ett gigantiskt Sudokupussel.
Under den tid det tar SLAP att skanna hela provet, en traditionell omfattning som går pixel-för-pixel skulle täcka bara en liten bråkdel av en bild. Denna hastighet gjorde att Podgorskis team i detalj kunde se hur glutamat, en viktig signalsubstans, släpps ut på olika delar av musneuroner. I musens visuella cortex, till exempel, de identifierade regioner på neurons dendriter där många synapser verkar vara aktiva samtidigt. Och de spårade neurala aktivitetsmönster som vandrade över musens cortex när ett objekt rörde sig över dess synfält.
Podgorskis yttersta mål är att avbilda alla signaler som kommer in i en enda neuron, för att förstå hur neuroner omvandlar inkommande signaler till utgående signaler. Den nuvarande omfattningen är "bara ett steg på vägen - men vi bygger redan en andra generation. När vi väl har det, vi kommer inte att begränsas av mikroskopet längre, " han säger.
Hans team uppgraderar omfattningens skannrar för att öka dess hastighet. De söker också sätt att spåra andra signalsubstanser så att de fullt ut kan ta del av symfonin i neural kommunikation.
