Нейронные датчики, использующие ближний инфракрасный свет, могут обнаруживать активность мозга глубоко в моделях животных. | Советы девушкам

Биомедицинские инженеры, клеточные биологи и нейробиологи из Университета Дьюка и Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна разработали новый тип генетически закодированного нейронного биосенсора, работающего в ближнем инфракрасном свете.

Изобретение позволит исследователям неинвазивно изучить, как нейроны активизируются на более глубоких уровнях живого мозга , одновременно наблюдая за потреблением кислорода.

Исследование будет опубликовано 26 октября 2020 года в журнале Nature Biotechnology .

«Ученые долгое время работали над этим, и мы первые, кто это сделал», – сказал Цзюньцзе Яо, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Duke. «Ткань не поглощает и не рассеивает ближний инфракрасный свет почти так же сильно, как видимый свет , что позволяет фотонам проникать в ткани мозга глубже, чем существующие стандарты».

Одна из главных целей нейробиологии – связать сложное поведение, такое как процесс создания и хранения воспоминаний, с активацией различных нейронов и структур по всему мозгу. Один из способов решения этой сложной задачи исследователями – использование генетически закодированных индикаторов кальция , или GECI. Эти биосенсоры несут флуоресцентные белки, которые тускнеют, когда в клетке происходит выброс кальция, который возникает при срабатывании нейрона.

Исследователи традиционно освещали эти биосенсоры с помощью одно- и двухфотонной микроскопии, которая посылает фотоны света в ткани мозга. Однако доступные в настоящее время биосенсоры работают в видимом спектре, который не может проникать в ткань очень глубоко без поглощения или рассеивания. Возникающий в результате хаос не позволяет исследователям видеть более полумиллиметра ткани.

В новом исследовании Яо, Владислав Верхуша, профессор анатомии и структурной биологии Эйнштейна, и группа сотрудников из Калифорнийского университета в Беркли и Северо-Западного университета нашли способ обойти эту проблему. Исследователи создали индикатор кальция, который можно отобразить с помощью ближнего инфракрасного света, который может легче проникать в ткани мозга. А поскольку ближний инфракрасный свет не мешает работе традиционных биосенсоров, работающих в видимом свете, можно использовать несколько типов биосенсоров одновременно, не беспокоясь об их спектральных перекрестных помехах.

«Наши новые индикаторы кальция по сути похожи на птиц в лесу», – сказал Яо. “В то время как птицы обычно летают и шумят, когда хищник в лесу, они молчат. Вам не нужно специально видеть хищника, чтобы знать, что есть опасность, вы просто знаете, что отсутствие звука означает, что что-то там Точно так же с нашими индикаторами вам не нужно специально видеть срабатывание нейрона, вам просто нужно искать сигнал: затемнение света, излучаемого кальциевыми индикаторами ».

«Я надеюсь, что нейронные биосенсоры ближнего инфракрасного диапазона станут важнейшими молекулярными инструментами для моделирования болезней человека на животных, а также для исследований когнитивной нейробиологии, что позволит нам визуализировать механизмы различных эмоциональных и поведенческих регуляций в мозге», – сказал Верхуша. «Поскольку эти биосенсоры работают в ближнем инфракрасном диапазоне, их можно визуализировать неинвазивным способом, прямо через череп ведущих животных с помощью миниатюрных налобных камер, что позволяет нам визуализировать структуры мозга, функционирующие во время определенных действий».

Чтобы продемонстрировать эффективность своих новых индикаторов кальция на живых животных, группа Яо из Duke объединила их со второй технологией визуализации, называемой фотоакустической микроскопией. Технология, впервые разработанная Яо, позволяет исследователям сочетать свойства света и ультразвука для создания изображений с высоким разрешением.

Комбинированная флюоресцентная и фотоакустическая визуализация показала, что можно одновременно отслеживать активность нейронов и оксигенацию мозга мыши через неповрежденный череп.

«Мы создали мощную возможность, визуализируя оксигенацию мозга и срабатывание нейронов одновременно, двух основных столпов, поддерживающих функциональную структуру всего мозга», – сказал Яо. «В то время как кислород обеспечивает мозг топливом, возбуждение нейронов доставляет информацию».

Яо, Верхуша и команда рады возможности поделиться этой новой технологией с более широким сообществом нейробиологов. По мере продвижения вперед они надеются и дальше улучшать показатели кальция и технологию визуализации, чтобы глубже заглядывать в мозг.

«У нас есть возможность использовать индикаторы кальция в ближнем инфракрасном диапазоне для изучения, например, того, как мы обрабатываем воспоминания в гиппокампе или как болезнь Альцгеймера разрушает способность памяти», – говорит Яо. «Все эти области исследований могут выиграть, если у нас есть способ все глубже и глубже заглядывать в мозг, а для нас небо – предел».

Leave comment

Your email address will not be published. Required fields are marked with *.

двенадцать − 11 =