Нейронную активность научились отображать в 3D

Червь Caenorhabditis elegans длиной 1 мм имеет 302 нейрона, каждый из которых исследователи визуализировали, наблюдая за поведением нематоды в естественных условиях. Они также наблюдали реакцию нейронов в ответ на чувственные стимулы, такие, как запахи.

Нейроны кодируют информацию — осязательные данные, моторику, эмоциональные состояния, мысли — с помощью электрических импульсов, называемых потенциалами действия. Эти импульсы провоцируют ионы кальция устремляться потоком в каждую нервную клетку, которую затрагивает тот или иной процесс. Флуоресцентные белки начинают светиться, когда они связывают кальций, таким образом ученые могут видеть электрическое возбуждение нейронов. До сих пор не существовало способа отображения этой нейронной активности целиком, в трех измерениях и с высокой оперативностью.

Сканирование мозга с помощью лазерного луча, конечно, поможет создать 3D-изображения нейронной активности, но процесс подготовки такого изображения занимает слишком много времени: каждая точка должна быть отсканирована в индивидуальном порядке. Команда MIT хотела добиться получения подобных 3D-изображений, но существенно ускорить процесс.

Новый метод основан на широко используемой технологии, известной как визуализация светового поля. Его суть — в создании 3D-изображения при помощи измерения углов входящих лучей света. Микроскопы, которые выполняют визуализацию светового поля, были разработаны ранее разными группами ученых.

В новой работе исследователи MIT и их австрийские коллеги впервые применили такой микроскоп для визуализации нейронной активности. С микроскопом такого типа свет, излучаемый исследуемым образцом, передается через массив линз, которые преломляет его в разных направлениях. Каждая точка образца генерирует около 400 различных точек света, которые затем могут быть рекомбинированы с помощью компьютерного алгоритма, строящего на экране 3D-структуру.

Текущее разрешение является достаточно высоким для того, чтобы увидеть активность отдельных нейронов, но исследователи в настоящее время работает над его улучшением — чтобы можно было наблюдать сами нейроны детально, также они планируют объединить этот подход с оптогенетикой для лучшего понимания того, какие нейроны участвуют в конкретных задачах.

Технология, описанная 18 мая в Nature Methods, может помочь неврологам больше узнать о биологической основе мозговых нарушений. «Мы действительно не знаем точного набора клеток, "участвующих" в любом заболевании головного мозга. Возможность обследовать деятельность на всей территории нервной системы может помочь определить клетки или сети, которые связаны с тем или иным мозговым расстройством, что даст новые идеи для лечения», — говорит один из авторов исследования Эд Бойден.