Исследователи создали миниатюрный и лёгкий микроскоп, который регистрирует нейронную активность с беспрецедентной скоростью и может использоваться на свободно движущихся животных. Новый инструмент может дать учёным более полное представление о том, как клетки мозга обрабатывают информацию в процессе естественного поведения.

Микроскоп предназначен для получения изображений генетически закодированных индикаторов напряжения — флуоресцентных красителей, которые быстро меняют яркость при активации нейрона — через небольшое окно в черепе, когда животное бодрствует.

«В отличие от большинства миниатюрных микроскопов, отслеживающих более медленные сигналы кальция, наш регистрирует электрические импульсы со скоростью в сотни кадров в секунду», — сказала Эмили Гибсон из медицинского кампуса Аншутц Университета Колорадо. «Это позволяет запечатлеть момент активации нейрона, а также более тихие сигналы, накапливающиеся внутри нейронов перед активацией».

В журнале Biomedical Optics Express исследователи описывают новый микроскоп , предназначенный для регистрации очень слабых изменений яркости. В экспериментах на мышах они показывают, что он может регистрировать напряжение, близкое к тому, что получают с помощью стандартного широкопольного микроскопа, надежно измеряя активность отдельных нейронов.

«Фиксируя эти подробные паттерны напряжения в различных частях мозга, наш микроскоп позволяет напрямую исследовать, как тонкие электрические сигналы влияют на синхронизацию активности мозга, например, на пространственную навигацию в гиппокампе», — сказал Гибсон.

«Более глубокое понимание того, как нейронные цепи управляют поведением и познавательными процессами, может привести к появлению новых методов лечения различных неврологических расстройств и нейродегенеративных заболеваний».

Отслеживание динамики потенциала действия

Изменения напряжения в мозге обусловлены потоком ионов через мембраны нейронов, создавая быстрые электрические сигналы, называемые потенциалами действия. Процесс начинается с небольших изменений напряжения, которые в конечном итоге достигают порогового значения, запуская цепную реакцию, которая вызывает приток ионов натрия, а затем выталкивание ионов калия. Это создаёт «всплеск» потенциала действия, распространяющийся по нейрону.

Наблюдение за этими изменениями напряжения может дать новое представление о том, как ведут себя нейронные цепи мозга при таких задачах, как обучение и формирование воспоминаний. Однако, поскольку они происходят всего за миллисекунды, изменения напряжения сложно зафиксировать без использования тяжёлых или громоздких оптических компонентов.

«Мы сделали большой шаг к преодолению этих ограничений, разработав компактную и эффективную оптическую систему с высокой числовой апертурой и соединив ее с высокоскоростным датчиком для надежного обнаружения всплесков потенциала действия», — отметила соавтор Джульет Гопинат из Университета Колорадо в Боулдере.

«Наш микроскоп позволяет регистрировать как быстрые электрические импульсы, так и более мелкие подпороговые изменения напряжения, возникающие внутри нейронов у свободно движущихся животных».

Улавливание тонких изменений

Чтобы увеличить количество собираемого света до уровня, достаточного для регистрации едва заметных изменений яркости флуоресценции, исследователи разработали специальную оптическую систему, обеспечивающую числовую апертуру 0,6 в компактном формате. Они также оснастили её компактной высокоэффективной камерой, способной получать изображения со скоростью около 500 кадров в секунду, что достаточно для захвата миллисекундных временных интервалов потенциалов действия.

Получившийся микроскоп, названный MiniVolt, имеет поле зрения 250 микрон, рабочее расстояние 1,3–1,6 мм и общий вес 16,4 г. Команда Гибсона также работала с нейробиологами, чтобы соединить микроскоп с новейшим индикатором напряжения Voltron2, который более стабилен и обеспечивает более выраженные изменения флуоресценции в ответ на напряжение, чем предыдущие индикаторы напряжения.

Для тестирования микроскопа исследователи сравнили записи напряжения у бодрствующих мышей с фиксированной головой, полученные с помощью MiniVolt, с данными, полученными с помощью настольного микроскопа для визуализации напряжения. MiniVolt получал изображения пиков напряжения in vivo с помощью Voltron2 с отношением пика напряжения к шуму более 3 при частоте 530 кадров в секунду. Это означает, что амплитуда каждого пика напряжения более чем в три раза превышала фоновый шум, что сопоставимо с качеством сигнала настольного микроскопа.

Сейчас исследователи работают над уменьшением веса микроскопа, который уже совместим с получением изображений на свободно движущихся крысах, чтобы его можно было использовать на свободно движущихся мышах – важной модели для изучения многих заболеваний человека. Они также хотят расширить поле зрения MiniVolt, которое ограничено размером источника света, а не оптической конструкцией.