Een baanbrekende techniek ontwikkeld door de Prevedel Group bij EMBL stelt neurowetenschappers in staat om levende neuronen diep in de hersenen te observeren - of elke andere cel die verborgen is in een ondoorzichtig weefsel. De techniek is gebaseerd op twee ultramoderne microscopiemethoden, drie-fotonenmicroscopie en adaptieve optica. De papieren rapportage over deze vooruitgang werd gepubliceerd op 30 september 2021 in Natuurmethoden .

Tot de ontwikkeling van de nieuwe techniek, het was een uitdaging voor neurowetenschappers om astrocyten te observeren die calciumgolven genereren in diepe lagen van de cortex, of om andere neurale cellen in de hippocampus te visualiseren, een gebied diep in de hersenen dat verantwoordelijk is voor ruimtelijk geheugen en navigatie. Het fenomeen komt regelmatig voor in de hersenen van alle levende zoogdieren. Door de nieuwe techniek te ontwikkelen, Lina Streich van de Prevedel Group en haar medewerkers waren in staat om de fijne details van deze veelzijdige cellen vast te leggen met een ongekend hoge resolutie. Het internationale team bestond uit onderzoekers uit Duitsland, Oostenrijk, Argentinië, China, Frankrijk, de Verenigde Staten, Indië, en Jordanië.

In de neurowetenschappen, hersenweefsels worden meestal waargenomen in kleine modelorganismen of in ex vivo monsters die moeten worden gesneden om te worden waargenomen - die beide niet-fysiologische omstandigheden vertegenwoordigen. Normale hersencelactiviteit vindt alleen plaats bij levende dieren, maar het "muisbrein is een sterk verstrooiend weefsel, " zei Robert Prevedel. "In deze hersenen, licht kan niet gemakkelijk worden gefocust, omdat het interageert met de cellulaire componenten. Dit beperkt hoe diep u een scherp beeld kunt genereren, en het maakt het erg moeilijk om je met traditionele technieken te concentreren op kleine structuren diep in de hersenen."

Met dank aan Streich, een voormalig promovendus in het lab die meer dan vier jaar heeft gewerkt om dit probleem op te lossen, wetenschappers kunnen nu verder in weefsels kijken.

"Met traditionele fluorescentiehersenmicroscopietechnieken, er worden telkens twee fotonen geabsorbeerd door het fluorescentiemolecuul, en je kunt ervoor zorgen dat de opwinding die door de straling wordt veroorzaakt beperkt blijft tot een klein volume, " legde Prevedel uit, een fysicus van opleiding. "Maar hoe verder de fotonen reizen, hoe groter de kans dat ze verloren gaan door verstrooiing." Een manier om dit te overwinnen is om de golflengte van de opwindende fotonen naar het infrarood te vergroten, die zorgt voor voldoende stralingsenergie om te worden geabsorbeerd door de fluorofoor. In aanvulling, het gebruik van drie fotonen in plaats van twee maakt het mogelijk om scherpere beelden diep in de hersenen te verkrijgen. Maar er blijft een andere uitdaging:ervoor zorgen dat de fotonen gefocust zijn, zodat het hele beeld niet wazig is.

Dit is waar de tweede techniek die Streich en haar team gebruiken belangrijk is. Adaptieve optica wordt regelmatig gebruikt in de astronomie - en het was inderdaad cruciaal voor Roger Penrose, Reinhard Genzel en Andrea Ghez krijgen in 2020 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun ontdekking van zwarte gaten. Astrofysici gebruiken vervormbare, computergestuurde spiegels om in realtime te corrigeren voor de vervorming in het lichtgolffront veroorzaakt door atmosferische turbulentie. In het laboratorium van Prevedel, de vervorming wordt veroorzaakt door het verstrooiende inhomogene weefsel, maar het principe en de technologie lijken erg op elkaar. "We gebruiken ook een actief gestuurde vervormbare spiegel, die in staat is de golffronten te optimaliseren zodat het licht zelfs diep in de hersenen kan convergeren en focussen, ", legt Prevedel uit. "We hebben een aangepaste aanpak ontwikkeld om het snel genoeg te maken voor gebruik op levende cellen in de hersenen, " voegde Streich eraan toe. Om de invasiviteit van de techniek te verminderen, het team minimaliseerde ook het aantal metingen dat nodig was om beelden van hoge kwaliteit te verkrijgen.

"Dit is de eerste keer dat deze technieken zijn gecombineerd, " zei Streich, "en dankzij hen, we waren in staat om de diepste in vivo beelden van levende neuronen met hoge resolutie te tonen." De wetenschappers, die samenwerkte met collega's van EMBL Rome en de Universiteit van Heidelberg, zelfs de dendrieten en axonen gevisualiseerd die de neuronen in de hippocampus verbinden, terwijl de hersenen volledig intact blijven.

"Dit is een sprong in de richting van de ontwikkeling van meer geavanceerde niet-invasieve technieken om levende weefsels te bestuderen, " zei Streich. Hoewel de techniek is ontwikkeld voor gebruik op muizenhersenen, het is gemakkelijk toepasbaar op elk ondoorzichtig weefsel. "Naast het duidelijke voordeel dat we biologische weefsels kunnen bestuderen zonder de dieren te offeren of overliggend weefsel te verwijderen, deze nieuwe techniek opent de weg om een ​​dier longitudinaal te bestuderen, dat is, vanaf het begin van een ziekte tot het einde. Dit geeft wetenschappers een krachtig instrument om beter te begrijpen hoe ziekten zich ontwikkelen in weefsels en organen."