Onderzoekers hebben een endoscoop ontwikkeld zo dun als een mensenhaar die de activiteit van neuronen in de hersenen van levende muizen in beeld kan brengen. Omdat het zo dun is, de endoscoop kan diep in de hersenen reiken, onderzoekers toegang geven tot gebieden die met microscopen of andere soorten endoscopen niet te zien zijn.

"Naast het gebruik in dierstudies om ons te helpen begrijpen hoe de hersenen werken, deze nieuwe endoscoop kan ooit nuttig zijn voor bepaalde toepassingen bij mensen, " zei Shay Ohayon, die het apparaat ontwikkelde als postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van James DiCarlo aan het Massachusetts Institute of Technology. "Het zou een kleinere, en dus comfortabeler, instrument voor beeldvorming in de neusholte, bijvoorbeeld."

De nieuwe endoscoop is gebaseerd op een optische vezel van slechts 125 micron dik. Omdat het apparaat vijf tot tien keer dunner is dan de kleinste in de handel verkrijgbare micro-endoscopen, het kan dieper in het hersenweefsel worden geduwd zonder noemenswaardige schade aan te richten.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Biomedische Optica Express , de onderzoekers melden dat de endoscoop micron-schaal resolutiebeelden kan vastleggen van neuronen die afvuren. Het is voor het eerst dat beeldvorming met zo'n dunne endoscoop is aangetoond bij een levend dier.

"Met verdere ontwikkeling, de nieuwe micro-endoscoop kan worden gebruikt om neuronactiviteit in voorheen ontoegankelijke delen van de hersenen in beeld te brengen, zoals de visuele cortex van diermodellen van primaten, "zei Ohayon. "Het kan ook worden gebruikt om te bestuderen hoe neuronen uit verschillende hersengebieden met elkaar communiceren."

Beelden verkrijgen van een vezel

De nieuwe micro-endoscoop is gebaseerd op een multimode optische vezel, die verschillende meerdere lichtstralen tegelijkertijd kan dragen. Wanneer licht de vezel binnenkomt, het kan worden gemanipuleerd om een ​​klein vlekje aan het andere uiteinde te genereren, en kan naar verschillende posities op het weefsel worden verplaatst zonder de vezel te verplaatsen. Door de kleine vlek over het monster te scannen, kan het fluorescerende moleculen opwekken die worden gebruikt om neuronactiviteit te labelen. Terwijl de fluorescentie van elke plek terug door de vezel reist, een beeld van neuronactiviteit wordt gevormd.

"Om snel genoeg te kunnen scannen om het vuren van neuronen in beeld te brengen, we gebruikten een optische component die bekend staat als een digitaal spiegelapparaat (DMD) om de lichtvlek snel te verplaatsen, " zei Ohayon. "We hebben een techniek ontwikkeld waarmee we de DMD konden gebruiken om licht te scannen met snelheden tot 20 kilohertz, wat snel genoeg is om fluorescentie van actieve neuronen te zien."

Omdat de multimode-vezels die voor de endoscoop worden gebruikt, licht door elkaar gooien, de onderzoekers pasten een methode toe die wavefront-shaping wordt genoemd om het vervormde licht om te zetten in afbeeldingen. Voor golffrontvorming, ze stuurden verschillende lichtpatronen door de vezel naar een camera aan de andere kant en legden precies vast hoe die specifieke vezel het licht veranderde dat er doorheen ging. De camera werd toen verwijderd, en de vezel die in de hersenen is geplaatst voor beeldvorming. De eerder verkregen informatie over hoe de vezel het licht verandert, wordt vervolgens gebruikt om een ​​klein punt over het gezichtsveld te genereren en te scannen.

Levende neuronen in beeld brengen

Na het succesvol afbeelden van gekweekte cellen, de onderzoekers testten hun micro-endoscoop op verdoofde muizen. Ze staken de vezel door een klein gaatje in de schedel van een muis en lieten het langzaam in de hersenen zakken. Om een ​​beeld te krijgen van de neuronen die vuren, de onderzoekers gebruikten een techniek die calciumbeeldvorming wordt genoemd en die fluorescentie creëert als reactie op de instroom van calcium die optreedt wanneer een neuron vuurt.

"Een van de voordelen van het gebruik van een endoscoop die zo dun is, is dat als je hem in de hersenen laat zakken, je kunt alle bloedvaten zien en door de vezel navigeren om te voorkomen dat je ze raakt, ' zei Ohayon.

De onderzoekers toonden niet alleen aan dat hun endoscoop gedetailleerde neuronale activiteit kon opvangen, maar toonden ook aan dat meerdere kleuren licht voor beeldvorming konden worden gebruikt. Deze mogelijkheid kan worden gebruikt om interacties te observeren tussen twee groepen neuronen die elk met een andere kleur zijn gelabeld, bijvoorbeeld.

Voor standaard beeldvorming, de endoscoop beeldt de neuronen op het uiterste puntje van de vezel af. Echter, de onderzoekers toonden ook aan dat de micro-endoscoop tot ongeveer 100 micron van de punt kon afbeelden. "Dit is erg handig, want wanneer de vezel in de hersenen wordt ingebracht, het kan de functie van neuronen die zich zeer dicht bij de vezel bevinden, beïnvloeden, " legde Ohayon uit. "Door een gebied iets weg van de vezel af te beelden, is het gemakkelijker om gezonde neuronen te vangen."

Omgaan met bochten in de vezel

Een beperking van de micro-endoscoop is dat eventuele bochten in de vezel ervoor zorgen dat deze het vermogen om afbeeldingen te produceren verliest. Hoewel dit geen invloed had op de experimenten die in het artikel worden beschreven, omdat de vezel recht werd gehouden toen hij in de hersenen werd geduwd, het oplossen van het buigprobleem zou de toepassingen voor het apparaat aanzienlijk kunnen uitbreiden. Verschillende onderzoeksgroepen werken aan nieuwe soorten vezels die minder vatbaar zijn voor buiging en computationele methoden die het buigen in realtime zouden kunnen compenseren.

"Als dit buigprobleem kan worden opgelost, het zal waarschijnlijk de manier veranderen waarop endoscopie bij mensen wordt uitgevoerd door het gebruik van veel dunnere sondes toe te staan, "zei Ohayon. "Dit zou meer comfortabele beeldvorming mogelijk maken dan de grote endoscopen van vandaag en kan beeldvorming mogelijk maken in delen van het lichaam die momenteel niet haalbaar zijn."