Een nieuw ontwikkelde microscoop biedt wetenschappers een sterk verbeterd hulpmiddel om te bestuderen hoe neurologische aandoeningen zoals epilepsie en de ziekte van Alzheimer de neuroncommunicatie beïnvloeden. De microscoop is geoptimaliseerd om studies uit te voeren met behulp van optogenetische technieken, een relatief nieuwe technologie die licht gebruikt om neuronen te controleren en af ​​te beelden die genetisch zijn gemodificeerd met lichtgevoelige eiwitten.

"Onze nieuwe microscoop kan worden gebruikt om de effecten van verschillende genetische mutaties op de neuronale functie te onderzoeken, " zei Adam Cohen van de Harvard University, VS, en de leider van het onderzoeksteam dat de microscoop ontwikkelde. "Op een dag zou het kunnen worden gebruikt om de effecten van kandidaat-geneesmiddelen op neuronen te testen die zijn afgeleid van mensen met aandoeningen van het zenuwstelsel om te proberen medicijnen te identificeren voor de behandeling van ziekten die momenteel geen adequate behandelingen hebben."

De nieuwe microscoop, genaamd Vuurvlieg, kan een gebied met een diameter van 6 millimeter in beeld brengen, meer dan honderd keer groter dan het gezichtsveld van de meeste microscopen die voor optogenetica worden gebruikt. In plaats van de elektrische activiteit van één neuron te bestuderen, het grote afbeeldingsgebied maakt het mogelijk om de elektrische pulsen te activeren die neuronen gebruiken om te communiceren en vervolgens te kijken hoe die pulsen van cel naar cel reizen door een groot neuraal circuit dat honderden cellen bevat. In de hersenen, elk neuron is typisch verbonden met duizend andere neuronen, dus het bekijken van het grotere netwerk is belangrijk om te begrijpen hoe neurologische ziekten de neuronale communicatie beïnvloeden.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Biomedische Optica Express , Cohen en zijn collega's vertellen hoe ze de nieuwe microscoop hebben geassembleerd voor minder dan $ 100, 000 met behulp van componenten die bijna allemaal in de handel verkrijgbaar zijn. De microscoop brengt niet alleen een groot gebied in beeld, maar verzamelt ook zeer efficiënt licht. Dit zorgt voor de hoge beeldkwaliteit en hoge snelheid die nodig zijn om neuronale elektrische pulsen te bekijken die elk slechts een duizendste van een seconde duren.

Licht gebruiken om neuronen te zien vuren

De nieuwe microscoop is ideaal voor het bestuderen van menselijke neuronen die in het laboratorium zijn gekweekt. In het afgelopen decennium, wetenschappers hebben menselijke celmodellen ontwikkeld voor veel aandoeningen van het zenuwstelsel. Deze cellen kunnen genetisch worden gemodificeerd om lichtgevoelige eiwitten te bevatten waarmee wetenschappers licht kunnen gebruiken om neuronen te laten vuren of om variabelen zoals neurotransmitterniveaus of eiwitaggregatie te regelen. Andere lichtgevoelige fluorescerende eiwitten zetten de onzichtbare elektrische pulsen die van neuronen komen om in korte fluorescentieflitsen die kunnen worden afgebeeld en gemeten.

Deze technieken hebben het voor wetenschappers mogelijk gemaakt om de input en output van individuele neuronen te bestuderen, maar in de handel verkrijgbare microscopen zijn niet geoptimaliseerd om het potentieel van optogenetische benaderingen volledig te benutten. Om deze technologische leemte op te vullen, de onderzoekers ontwierpen de Firefly-microscoop om neuronen te stimuleren met een complex patroon met een miljoen lichtpunten en vervolgens de korte flitsen van lichtfluorescentie vast te leggen die overeenkomen met elektrische pulsen die door de neuronen worden afgevuurd.

Elke pixel van het lichtpatroon kan onafhankelijk een lichtgevoelig eiwit stimuleren. Omdat de pixels veel verschillende kleuren kunnen hebben, verschillende soorten lichtgevoelige eiwitten kunnen tegelijk worden geactiveerd. Het lichtpatroon kan worden geprogrammeerd om een ​​heel neuron te bedekken, bepaalde delen van een neuron stimuleren of worden gebruikt om meerdere cellen tegelijk te verlichten.

"Dit optische systeem biedt een miljoen ingangen en een miljoen uitgangen, waardoor we alles kunnen zien wat er gaande is in deze neurale culturen, ’ legt Cohen uit.

Na het stimuleren van de neuronen, de microscoop gebruikt een camerabeeld met duizend beelden per seconde om de fluorescentie vast te leggen die wordt veroorzaakt door de extreem korte elektrische pulsen. "Het optische systeem moet zeer efficiënt zijn om goede signalen binnen een milliseconde te detecteren, "Zei Cohen. "Er is veel techniek gestoken in het ontwikkelen van optica die niet alleen een groot gebied kan afbeelden, maar ook met een zeer hoge lichtverzamelingsefficiëntie."

Om licht efficiënt over een groot gebied te verzamelen, de Firefly-microscoop gebruikt een objectieflens ter grootte van een frisdrankblikje in plaats van de objectieflens ter grootte van een duim die door de meeste microscopen wordt gebruikt. De onderzoekers gebruikten ook een optische opstelling die de hoeveelheid licht die de neuronen stimuleert, verhoogt om ervoor te zorgen dat de neuronen heldere fluorescentie uitstralen tijdens het schieten.

"Het enige aangepaste element in de microscoop is een klein prisma dat tussen de neuronen en de objectieflens is geplaatst, " legde Cohen uit. "Deze belangrijke component zorgt ervoor dat het licht langs hetzelfde vlak als de cellen reist in plaats van het monster loodrecht binnen te gaan. Dit voorkomt dat het licht materiaal boven en onder de cellen verlicht, afnemende achtergrondfluorescentie waardoor het moeilijk zou zijn om fluorescentie daadwerkelijk uit de neuronen te zien komen."

85 neuronen tegelijk kijken

De onderzoekers demonstreerden hun nieuwe microscoop door deze te gebruiken om de fluorescentie van gekweekte menselijke neuronen optisch te stimuleren en vast te leggen. "De neuronen waren een grote warboel van spaghetti, " zei Cohen. "We toonden aan dat het mogelijk was om 85 individuele neuronen tegelijkertijd op te lossen in een meting die ongeveer 30 seconden duurde."

Na de eerste stimulatie en beeldvorming, de onderzoekers konden 79 van die 85 cellen een tweede keer vinden. Deze mogelijkheid is belangrijk voor onderzoeken waarbij elke cel moet worden afgebeeld voor en na blootstelling aan een medicijn, bijvoorbeeld.

Bij een tweede demonstratie de onderzoekers gebruikten de microscoop om de elektrische golven in kaart te brengen die zich door gekweekte hartcellen voortplanten. Hieruit bleek dat de microscoop kan worden gebruikt om abnormale hartritmes te bestuderen, die optreden wanneer de elektrische signalen die de hartslag coördineren niet goed werken.

"Het systeem dat we hebben ontwikkeld, is ontworpen om naar een relatief vlak monster te kijken, zoals gekweekte cellen, " zei Cohen. "We ontwikkelen nu een systeem om optogenetische benaderingen uit te voeren in intact weefsel, wat ons in staat zou stellen om te kijken naar hoe deze neuronen zich gedragen in hun oorspronkelijke context."

De onderzoekers zijn ook een biotechbedrijf gestart, Q-State Biosciences genaamd, dat een verbeterde versie van de microscoop gebruikt om samen met farmaceutische bedrijven aan de ontdekking van geneesmiddelen te werken.