Endoskop Ultrathin menangkap neuron yang menembak jauh di dalam otak

Anonim

Para peneliti telah mengembangkan endoskopi setipis rambut manusia yang dapat menggambarkan aktivitas neuron di otak tikus hidup. Karena sangat tipis, endoskopi dapat menjangkau jauh ke dalam otak, memberi para peneliti akses ke area yang tidak dapat dilihat dengan mikroskop atau jenis endoskopi lainnya.

"Selain digunakan dalam penelitian pada hewan untuk membantu kita memahami bagaimana otak bekerja, endoskopi baru ini mungkin suatu hari berguna untuk aplikasi tertentu pada manusia, " kata Shay Ohayon, yang mengembangkan perangkat ini sebagai peneliti pasca doktoral di laboratorium James DiCarlo di Institut Teknologi Massachusetts. "Itu bisa menawarkan lebih kecil, dan dengan demikian lebih nyaman, instrumen untuk pencitraan dalam rongga hidung, misalnya."

Endoskopi baru didasarkan pada serat optik hanya 125 mikron tebal. Karena perangkat ini lima sampai sepuluh kali lebih tipis daripada mikroendoskopi terkecil yang tersedia secara komersial, maka dapat didorong lebih dalam ke jaringan otak tanpa menyebabkan kerusakan signifikan.

Dalam jurnal Optical Society (OSA) Biomedical Optics Express , para peneliti melaporkan bahwa endoskopi dapat menangkap gambar resolusi mikron dari penembakan neuron. Ini adalah pertama kalinya pencitraan dengan endoskopi tipis seperti itu telah ditunjukkan pada hewan hidup.

"Dengan pengembangan lebih lanjut, microendoscope baru dapat digunakan untuk menggambarkan aktivitas neuron di bagian otak yang sebelumnya tidak dapat diakses seperti korteks visual model hewan primata, " kata Ohayon. "Itu juga dapat digunakan untuk mempelajari bagaimana neuron dari berbagai wilayah otak berkomunikasi satu sama lain."

Mengambil gambar dari serat

Microendoscope baru ini didasarkan pada serat optik multimode, yang dapat membawa beberapa berkas cahaya yang berbeda pada saat yang bersamaan. Ketika cahaya memasuki serat, itu dapat dimanipulasi untuk menghasilkan titik kecil di ujung yang lain, dan dapat dipindahkan ke posisi yang berbeda pada jaringan tanpa memindahkan serat. Memindai titik kecil di seluruh sampel memungkinkan untuk merangsang molekul fluoresen yang digunakan untuk memberi label aktivitas neuron. Ketika fluoresensi dari setiap titik bergerak kembali melalui serat, gambar aktivitas neuron terbentuk.

"Untuk mencapai pemindaian cukup cepat untuk menembakkan neuron gambar, kami menggunakan komponen optik yang dikenal sebagai perangkat cermin digital (DMD) untuk memindahkan titik cahaya dengan cepat, " kata Ohayon. "Kami mengembangkan teknik yang memungkinkan kami menggunakan DMD untuk memindai cahaya dengan kecepatan hingga 20 kilohertz, yang cukup cepat untuk melihat fluoresensi dari neuron aktif."

Karena serat multimode yang digunakan untuk cahaya berebut endoskopi, para peneliti menerapkan metode yang disebut wavefront shaping untuk mengubah cahaya acak menjadi gambar. Untuk pembentukan wavefront, mereka mengirimkan berbagai pola cahaya melalui serat ke kamera di ujung yang lain dan mencatat dengan tepat bagaimana serat khusus itu mengubah cahaya yang lewat. Kamera kemudian dilepaskan, dan serat ditempatkan ke otak untuk pencitraan. Informasi yang diperoleh sebelumnya tentang bagaimana serat mengubah cahaya kemudian digunakan untuk menghasilkan dan memindai titik kecil di seluruh bidang pandang.

Imaging neuron hidup

Setelah berhasil mencitrakan sel-sel biakan, para peneliti menguji mikroendoskop mereka pada tikus yang dianestesi. Mereka memasukkan serat melalui lubang kecil di tengkorak tikus dan perlahan-lahan menurunkannya ke otak. Untuk menggambarkan penembakan neuron, para peneliti menggunakan teknik yang disebut pencitraan kalsium yang menciptakan fluoresensi dalam menanggapi masuknya kalsium yang terjadi ketika sebuah neuron kebakaran.

"Salah satu keuntungan menggunakan endoskopi sangat tipis adalah ketika Anda menurunkannya ke otak, Anda bisa melihat semua pembuluh darah dan menavigasi serat untuk menghindari memukul mereka, " kata Ohayon.

Selain menunjukkan bahwa endoskopi mereka dapat menangkap aktivitas neuronal yang mendetail, para peneliti juga menunjukkan bahwa banyak warna cahaya dapat digunakan untuk pencitraan. Kemampuan ini dapat digunakan untuk mengamati interaksi antara dua kelompok neuron masing-masing diberi label dengan warna yang berbeda, misalnya.

Untuk pencitraan standar, gambar endoskopi neuron di ujung serat. Namun, para peneliti juga menunjukkan bahwa microendoscope dapat mengambil gambar hingga sekitar 100 mikron dari ujungnya. "Ini sangat berguna karena ketika serat dimasukkan ke otak, mungkin mempengaruhi fungsi neuron sangat dekat dengan serat, " jelas Ohayon. "Menciptakan area yang sedikit menjauh dari serat membuatnya lebih mudah untuk menangkap neuron yang sehat."

Berurusan dengan tikungan serat

Salah satu batasan dari microendoscope adalah bahwa setiap tikungan dalam serat menyebabkannya kehilangan kemampuan untuk menghasilkan gambar. Meskipun ini tidak mempengaruhi percobaan yang dijelaskan di koran karena serat itu tetap lurus saat didorong ke otak, memecahkan masalah lentur bisa sangat memperluas aplikasi untuk perangkat. Berbagai kelompok penelitian bekerja pada jenis-jenis serat baru yang kurang rentan terhadap metode pembengkokan dan komputasi yang mungkin mengkompensasi pembengkokan secara real-time.

"Jika masalah lentur ini dapat dipecahkan, kemungkinan akan mengubah cara endoskopi pada manusia dilakukan dengan memungkinkan banyak probe yang lebih tipis untuk digunakan, " kata Ohayon. "Ini akan memungkinkan pencitraan lebih nyaman daripada endoskopi besar saat ini dan memungkinkan pencitraan di bagian tubuh yang saat ini tidak layak."

menu
menu