Elektrische und Chemische Signale blinken durch unser Gehirn ständig, wie wir durch die Welt bewegen, aber es würde ein high-speed-Kamera und ein Fenster in das Gehirn zu erfassen und Ihr flüchtiger Pfade.
University of California, Berkeley, Forscher haben jetzt gebaut wie eine Kamera: ein Mikroskop, das Bild kann das Gehirn eines alert-Maus-1.000 mal eine zweite Aufnahme für die erste Zeit der passage der Millisekunde elektrische Impulse durch die Neuronen.
„Das ist wirklich spannend, denn wir sind jetzt in der Lage, etwas zu tun, dass die Leute wirklich nicht in der Lage, vor zu tun,“, sagte führen Forscher, Na Ji, ein UC Berkeley associate professor für Physik und molekular-und Zellbiologie.
Das neue imaging-Technik kombiniert zwei-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie und der optischen laser-scanning in einem state-of-the-art Mikroskop, mit dem das image eines zwei-dimensionalen Schnitt durch den neocortex der Maus Gehirn bis zu 3.000 mal pro Sekunde. Das ist schnell genug, um zu verfolgen, um elektrische Signale fließen durch schaltkreise im Gehirn.
Mit dieser Technik, Neurowissenschaftler wie Ji kann jetzt die Uhr elektrische Signale, wie Sie propagieren, der durch das Gehirn und letztlich der Blick für die Getriebe Probleme mit der Krankheit assoziiert.
Ein entscheidender Vorteil der Technik ist, dass es erlaubt Neurowissenschaftler zu verfolgen, die Hunderte bis Zehntausende von Eingaben einem Gehirn-Zelle empfängt, die von anderen Zellen des Gehirns, einschließlich die, die das nicht auslösen der Zelle ausgelöst. Diese sub-threshold-Eingänge—entweder spannend oder Hemmung der Nervenzelle—nach und nach hinzufügen bis zu einem crescendo, löst die Zelle zum auslösen eines Aktionspotentials, Weitergabe der Informationen an andere Neuronen.
Von Elektroden zu Fluoreszenz-imaging
Die typische Methode für die Aufnahme von elektrischen feuern im Gehirn über Elektroden, eingebettet in das Gewebe, erkennt nur Ausschläge von wenigen Neuronen als die Millisekunde Spannungsänderungen vorbei. Die neue Technik kann die Ermittlung der tatsächlichen Brand neuron und Folgen Sie dem Pfad des Signals, Millisekunde von Millisekunden.
„Bei Krankheiten, viele Dinge passiert sind, sogar bevor Sie Sie sehen können Neuronen feuern, wie alle die unterhalb der Reizschwelle liegender Ereignisse“, sagte Ji, ein Mitglied der UC Berkeley Helen Wills Neuroscience Institute. „Wir haben nie gesehen, wie eine Krankheit zu ändern, wenn Sie unterhalb der Reizschwelle liegender Eingang. Nun, wir haben einen Griff, um dagegen anzugehen.“
Ji und Ihre Kollegen berichtet, die neue bildgebende Technik, die in der März-Ausgabe der Zeitschrift Nature Methods. In der gleichen Ausgabe, Sie und die anderen Kollegen auch ein Dokument veröffentlicht, das demonstriert eine andere Technik für imaging calcium-signaling über einen Großteil einer ganzen Hemisphäre des Gehirn der Maus auf einmal, eine mit einem wide-field-of-view „mesoscope“ mit der zwei-Photonen-imaging und Bessel-focus-Scans. Kalzium-Konzentrationen sind verknüpft mit der Spannung ändert, wie Signale durch das Gehirn.
„Dies ist das erste mal jedermann hat gezeigt, in drei Dimensionen, die neuronale Aktivität von einem so großen Volumen des Gehirns auf einmal, das geht weit über das hinaus, was der Elektroden zu tun,“ Ji sagte. „Darüber hinaus ist unsere imaging-Ansatz gibt uns die Möglichkeit zu lösen, die Synapsen jedes neuron.“
Synapsen sind die stellen, wo die Neurotransmitter freigesetzt werden, die von einem neuron zu erregen oder hemmen andere.
Einer von Ji Ziele ist es, zu verstehen, wie Neuronen interagieren über weite Bereiche des Gehirns und schließlich finden erkrankten schaltungen verbunden mit Gehirn-Erkrankungen.
„Im Gehirn-Erkrankungen, einschließlich neurodegenerative Erkrankung, ist es nicht nur ein einzelnes neuron oder ein paar Neuronen, die krank werden,“ Ji sagte. „Also, wenn Sie wirklich wollen, um diese Krankheiten verstehen, Sie wollen in der Lage sein, zu betrachten, wie viele Neuronen wie möglich über die verschiedenen Regionen des Gehirns. Mit dieser Methode bekommen wir viel mehr Globale Bild, was geschieht im Gehirn.“
Zwei-Photonen-Mikroskopie
Ji und Ihre Kollegen sind in der Lage, einen Blick in das Gehirn durch Sonden angeheftet werden können, um bestimmte Arten von Zellen und werden fluoreszierende, wenn sich die Umgebung ändert. Verfolgen Spannungsänderungen in den Nervenzellen, zum Beispiel, Ihr team beschäftigt einen sensor entwickelt, durch co-Autor Michael Lin von der Stanford University, wird die fluoreszierende, wenn die Zellmembran depolarisiert als Spannungs-signal breitet sich entlang der Zellmembran.
Die Forscher beleuchten diese fluoreszierenden Sonden mit einem zwei-Photonen-laser, wodurch Sie emittieren Licht oder Leuchten, wenn Sie aktiviert wurden. Das emittierte Licht wird eingefangen durch ein Mikroskop und kombiniert in einer 2-D-Bild zeigt die Lage der Spannung zu ändern oder das Vorhandensein eines bestimmten chemischen, wie die Signal-ion, calcium.
Durch das schnelle Scannen der laser über das Gehirn, ähnlich wie eine Taschenlampe, die nach und nach zeigt sich die Szene in einem abgedunkelten Raum, Forscher sind in der Lage, Bilder zu erhalten von einer einzigen, dünnen Schicht des neocortex. Das team war in der Lage zu führen 1.000 bis 3.000 volle 2-D-scans von einem einzigen Gehirn Schicht in jeder Sekunde durch den Austausch eines der laser auf zwei rotierenden spiegeln, die mit einem optischen Spiegel—eine Technik, genannt free-space-Winkel-chirp-verbesserte Verzögerung (KONFRONTIERT). KONFRONTIERT wurde entwickelt von Papier co-Autor Kevin Tsia an der University of Hong Kong.
Die kilohertz-imaging nicht nur offenbart, Millisekunde änderungen in der Spannung, aber auch mehr langsam veränderte Konzentrationen von Kalzium und Glutamat, ein neurotransmitter, so tief als 350 Mikrometer (ein Drittel millimeter) aus dem Gehirn Oberfläche.
Erhalten Sie schnelle 3-D-Bilder der Bewegung von Kalzium durch die Neuronen, Sie kombinierten zwei-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie mit einer anderen Technik, Bessel-focus-Scans. Vermeiden Sie zeitaufwendige scans von jedem Mikrometer Dicke Schicht des neocortex, die Erregung Fokus der zwei-Photonen-laser ist geprägt von einem Punkt zu einem kleinen Zylinder, die wie ein Bleistift, etwa 100 Mikrometer in der Länge. Dieser Bleistift-Strahl wird dann gescannt an sechs verschiedenen tiefen durch das Gehirn, und das fluoreszierende Bilder werden kombiniert, um erstellen eine 3-D-Bild. Dies ermöglicht schnellere Scans mit wenig Verlust an information, denn in jedem Bleistift-Volumen, in der Regel nur ein neuron aktiv ist, zu jeder Zeit. Die mesoscope kann Bild eine Fläche von etwa 5 mm im Durchmesser—fast ein Viertel der eine Hemisphäre des Gehirn der Maus—und 650 Mikrometer tief, in der Nähe die volle Tiefe der Großhirnrinde, welche sich in komplexen Informationsverarbeitung.
„Mit konventionellen Methoden, wir hätten zu Scannen 300 Bilder, die dieses Volumen, aber mit einem länglichen Balken, der reduziert die Lautstärke auf ein einzelnes Flugzeug, brauchen wir nur einen scan aus sechs Bildern, was bedeutet, dass jetzt können wir schnell genug volumetrischen rate, seinen Blick auf die calcium-Aktivität,“ Ji sagte.
Ji ist jetzt die Arbeit auf die Kombination von vier Techniken—zwei-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskopie, Bessel-Strahl zu fokussieren, KONFRONTIERT, und die adaptive Optik zu erreichen, high-speed -, hohe Empfindlichkeit Bilder, die tief in der Großhirnrinde, die etwa 1 millimeter Dicke.