Een nieuwe microscoop breekt een al lang bestaande snelheidslimiet, 15 keer sneller beelden van hersenactiviteit opnemen dan wetenschappers ooit voor mogelijk hadden gehouden. Het verzamelt snel genoeg gegevens om de spanningspieken van neuronen en het vrijgeven van chemische boodschappers over grote gebieden te registreren. het monitoren van honderden synapsen tegelijk - een enorme sprong voorwaarts voor de krachtige beeldvormingstechniek die twee-fotonmicroscopie wordt genoemd.

De truc ligt niet in het verbuigen van de wetten van de fysica, maar door kennis over een monster te gebruiken om dezelfde informatie in minder metingen te comprimeren. Wetenschappers van de Janelia Research Campus van het Howard Hughes Medical Institute hebben de nieuwe microscoop gebruikt om patronen van neurotransmitterafgifte op muisneuronen te bekijken, ze melden 29 juli in Natuurmethoden . Tot nu, het was onmogelijk om deze milliseconde-tijdschaalpatronen vast te leggen in de hersenen van levende dieren.

Wetenschappers gebruiken beeldvorming met twee fotonen om in ondoorzichtige monsters te kijken, zoals levende hersenen, die ondoordringbaar zijn met gewone lichtmicroscopie. Deze microscopen gebruiken een laser om fluorescerende moleculen te exciteren en vervolgens het uitgestraalde licht te meten. Bij klassieke twee-fotonenmicroscopie, elke meting duurt enkele nanoseconden; het maken van een video vereist metingen voor elke pixel in de afbeelding in elk frame.

Dat, in theorie, beperkt hoe snel men een afbeelding kan vastleggen, zegt hoofdauteur Kaspar Podgorski, een kerel bij Janelia. "Je zou denken dat dat een fundamentele limiet zou zijn - het aantal pixels vermenigvuldigd met de minimale tijd per pixel, "zegt hij. "Maar we hebben deze limiet overschreden door de metingen te comprimeren." dat soort snelheid kon alleen worden bereikt over kleine gebieden.

De nieuwe tool—Scanned Line Angular Projection microscopie, of SLAP—maakt het tijdrovende deel van het verzamelen van gegevens op een aantal manieren efficiënter. Het comprimeert meerdere pixels in één meting en scant alleen pixels in interessegebieden, dankzij een apparaat dat kan bepalen welke delen van het beeld worden verlicht. Een hoge resolutie foto van het monster, vastgelegd voordat de beeldvorming met twee fotonen begint, begeleidt de reikwijdte en stelt wetenschappers in staat de gegevens te decomprimeren om gedetailleerde video's te maken.

Net als een CT-scanner, die een beeld opbouwt door een patiënt vanuit verschillende hoeken te scannen, SLAP zwaait een lichtstraal over een monster langs vier verschillende vlakken. In plaats van elke pixel in het pad van de straal op te nemen als een afzonderlijk datapunt, het bereik comprimeert de punten in die lijn samen tot één getal. Vervolgens, computerprogramma's ontcijferen de lijnen van pixels om gegevens te krijgen voor elk punt in de steekproef - een beetje zoals het oplossen van een gigantische Sudoku-puzzel.

In de tijd die SLAP nodig heeft om het hele monster te scannen, een traditionele scope die pixel voor pixel gaat, zou slechts een klein deel van een afbeelding beslaan. Dankzij deze snelheid kon het team van Podgorski in detail bekijken hoe glutamaat, een belangrijke neurotransmitter, wordt vrijgegeven op verschillende delen van muisneuronen. In de visuele cortex van de muis, bijvoorbeeld, ze identificeerden regio's op de dendrieten van neuronen waar veel synapsen tegelijkertijd actief lijken te zijn. En ze volgden neurale activiteitspatronen die door de cortex van de muis migreerden terwijl een object door zijn gezichtsveld bewoog.

Het uiteindelijke doel van Podgorski is een beeld te vormen van alle signalen die in een enkel neuron komen, om te begrijpen hoe neuronen inkomende signalen omzetten in uitgaande signalen. Dit huidige bereik is "slechts een stap op weg, maar we bouwen al aan een tweede generatie. Als we dat eenmaal hebben, we worden niet meer beperkt door de microscoop, " hij zegt.

Zijn team is de scanners van de scoop aan het upgraden om de snelheid te verhogen. Ze zoeken ook naar manieren om andere neurotransmitters te volgen, zodat ze volledig kunnen profiteren van de symfonie van neurale communicatie.