Onderzoekers hebben een microscoop ontwikkeld speciaal voor het in beeld brengen van grote groepen interactie tussen cellen in hun natuurlijke omgeving. Het instrument biedt wetenschappers een nieuw hulpmiddel voor het afbeelden van neuronen bij levende dieren en zou een ongekend beeld kunnen geven van hoe grote netwerken van neuronen op elkaar inwerken tijdens verschillende gedragingen.

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor high-impact onderzoek, onderzoekers van de Universiteit van Boston, USA tonen aan dat hun nieuwe "multi-z" confocale microscopiesysteem de hersenen van levende muizen in beeld kan brengen met videosnelheid en met een gezichtsveld groter dan een millimeter.

Het afbeelden van grote groepen cellen vereist het vastleggen van cellulaire of subcellulaire details met hoge snelheden over een groot 3D-volume. Dit is een uitdaging omdat de meeste beeldvormingsbenaderingen inherente compromissen hebben tussen snelheid, gezichtsveld en resolutie.

"We hebben een manier gevonden om de benodigde beeldvormingsfuncties samen te voegen in een microscopiesysteem dat eenvoudig te bouwen en te bedienen is, " zei Amaury Badon, eerste auteur van het artikel. "Het levert ook realtime resultaten op zonder dat er ingewikkelde gegevensanalyse of beeldverwerking nodig is."

3D-beeldvolumes verwerven

De nieuwe microscoop is gebaseerd op confocale microscopie, een techniek die vaak wordt gebruikt voor celbeeldvorming. Confocale microscopie produceert beelden met een hoge resolutie en contrast door een fysiek gaatje te gebruiken om onscherp licht te blokkeren en in-focus licht door te laten. Echter, het scannen van een monster om voldoende 2D-beelden te verkrijgen om een ​​3D-volume te reconstrueren is tijdrovend en levert grote hoeveelheden gegevens op.

Om meerdere vliegtuigen tegelijk te verwerven, de onderzoekers ontwikkelden een manier om het licht te hergebruiken voor het afbeelden van cellen in één vlak om ook cellen dieper in het monster af te beelden. Ze gebruikten een benadering die uitgebreide verlichting wordt genoemd, waarbij de objectieflens van de microscoop slechts gedeeltelijk is gevuld met het verlichtende licht, waardoor het licht dieper in het monster kan doordringen. De volledige objectieflens wordt vervolgens gebruikt om fluorescentie te detecteren, die een hoge resolutie biedt. In plaats van één gaatje te hebben, zoals traditionele confocale opstellingen, de nieuwe microscoop heeft een reeks reflecterende gaatjes die elk in-focus licht van een andere diepte in het monster opvangen.

"Onze methode profiteert van het contrast van confocale microscopie, terwijl ze kan worden uitgebreid tot volumetrische beeldvorming zonder in te boeten aan snelheid, "zei Badon. "Hoewel er al eerder gebruik is gemaakt van uitgebreide verlichting en reflecterende gaatjes, dit is de eerste keer dat ze op een lichtefficiënte manier werden gecombineerd in een confocale microscoopopstelling."

De onderzoekers hebben de microscoop ook op maat gemaakt voor beeldvorming op grotere schaal dan conventionele confocale microscopen en hebben deze ontworpen om met videosnelheid af te beelden. Snelle beeldacquisitie was belangrijk omdat de fluorescentie-indicatoren die de cellulaire functie controleren, doorgaans werken op tijdschalen van enkele tientallen milliseconden.

Beeldvorming van neurale activiteit bij levende dieren

De onderzoekers demonstreerden het multi-z confocale microscopiesysteem door het te gebruiken om hele C. elegans-wormen in beeld te brengen, die te groot zijn (500 tot 800 micron lang) om gemakkelijk alles tegelijk in beeld te brengen met een traditionele confocale microscoop. Ze detecteerden en volgden tegelijkertijd de activiteit van 42 neuronen in het hele organisme, zelfs als de wormen in beweging waren.

Vervolgens gebruikten ze hun microscoop om het hippocampale gebied van een muizenhersenen in een wakker dier af te beelden waarvan het hoofd stil werd gehouden. Ze waren in staat om neuronactiviteit af te beelden binnen een volume van 1200 x 1200 x 100 micron met videosnelheid. Met behulp van een algoritme, de onderzoekers waren in staat om 926 neuronen te identificeren in het afgebeelde volume.

Ze zijn nu bezig om de snelheid en diepte van de techniek te verbeteren en de microscoop zo veelzijdig en gebruiksvriendelijk mogelijk te maken.