Een van de grootste uitdagingen in de wetenschap is de studie van de anatomie en cellulaire architectuur van de hersenen. Een veelbelovende nieuwe techniek, ontwikkeld door wetenschappers in Italië, het VK en Duitsland, brengt nu de microscopische details van de hersenen scherper in beeld, zelfs over macroscopische volumes.

In een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Natuurmethoden , beschrijven de onderzoekers hoe hun systeem, genaamd Rapid Autofocus via Pupil-split Image Phase Detection (of RAPID), betekent een doorbraak in de beeldvorming van muizenhersenen.

Deze nieuwe techniek kan aanzienlijke gevolgen hebben voor de neurowetenschappen, het mogelijk maken van een kwantitatieve analyse van de hersenbrede architectuur op subcellulair niveau.

Dr. Ludovico Silvestri, eerste auteur van de studie en onderzoeker in de fysica van materie aan de Universiteit van Florence in Italië, zei:"Het gebrek aan instrumenten die grote volumes met hoge resolutie kunnen analyseren, heeft onze studies van hersenbrede structuur beperkt tot een ruwe, laag resolutieniveau.

"De momenteel gebruikte methode van lichtplaatmicroscopie gecombineerd met chemische protocollen die biologische weefsels transparant kunnen maken, slaagt er niet in om een ​​hoge resolutie te behouden in monsters groter dan een paar honderd micron."

Dr. Leonardo Sacconi, van het National Institute of Optics van de National Research Council (CNR-INO), een co-auteur van het artikel, toegevoegd:"Buiten deze afmetingen, het biologische weefsel begint zich als een lens te gedragen, de uitlijning van de microscoop verstoren en daardoor de beelden wazig maken."

Met SNEL, de onderzoekers stellen een nieuwe autofocustechnologie voor die compatibel is met light-sheetmicroscopie en die in staat is om de verkeerde uitlijning die door het monster zelf wordt geïntroduceerd in realtime automatisch te corrigeren. In kubieke centimeter-formaat, ontruimde steekproeven, zoals intacte muizenhersenen, de autofocussering verwijdert beelddegradatie om verbeterde kwantitatieve analyses mogelijk te maken.

De nieuwe methode is geïnspireerd op de optische autofocussystemen van reflexcamera's, waarbij een reeks prisma's en lenzen de onscherpte van het beeld omzet in een zijwaartse beweging. Hierdoor kan de uitlijning van de microscoop in realtime worden gestabiliseerd, scherper produceren, meer gedetailleerde afbeeldingen.

Dr. Caroline Müllenbroich, een Marie Skłodowska Curie-fellow en docent aan de School of Physics and Astronomy van de University of Glasgow is een co-auteur van het artikel. Dr. Müllenbroich droeg bij aan het ontwerp en de implementatie van de microscoop en het autofocussysteem.

Dr. Müllenbroich zei:"Terwijl we oorspronkelijk RAPID hebben uitgevonden voor microscopie op lichtplaten, deze autofocustechnologie is eigenlijk geschikt voor alle breedveldmicroscopietechnieken. Het is zeer veelzijdig en monsteragnostisch met meerdere toepassingen die verder gaan dan de neurowetenschap."

De hoge resolutie gegarandeerd door RAPID, dat ook het onderwerp is van een internationaal patent dat eigendom is van Unifi, het Europese laboratorium voor niet-lineaire spectroscopie (LENS) en CNR - heeft onderzoekers in staat gesteld om problemen op de hele hersenschaal te bestuderen die voorheen alleen in kleine, lokale gebieden.

Bijvoorbeeld, de ruimtelijke verdeling van een bepaald type neuronen - die somatostatine tot expressie brengen - is onderzocht, laten zien hoe deze cellen zichzelf organiseren in ruimtelijke clusters, waarvan wordt vermoed dat ze hun remmende werking effectiever maken.

Een andere toepassing betreft microglia, een reeks cellen met verschillende functies (van de reactie op pathogenen tot de regulatie van neuronale plasticiteit), waarvan de vorm verandert naargelang de rol die ze spelen. De analyse van microglia uitgevoerd met RAPID onthulde significante verschillen tussen verschillende hersenregio's, de weg vrijmaakt voor nieuwe studies over de rol van deze celpopulatie.

De krant van het team, getiteld "Universele autofocus voor kwantitatieve volumetrische microscopie van hele muizenhersenen, " is gepubliceerd in Nature Methods.