Onderzoekers van Cornell hebben een geavanceerde beeldvormingstechnologie gepresenteerd die een ongekende diepe en brede visualisatie van hersenactiviteit met eencellige resolutie mogelijk maak. De innovatieve microscoop, DEEPscope genaamd, combineert twee- en drie-foton microscopietechnieken om grootschalige neuronale activiteit en structurele details vast te leggen die voorheen ontoegankelijk waren.
Traditionele multiphoton microscopie kampt met aanzienlijke beperkingen in beelddiepte en gezichtsveld, vooral in sterk verstrooiende biologische weefsels zoals de hersenen. Om thermische schade te voorkomen, wordt de beelddiepte meestal vergroot ten koste van een exponentieel krimpend gezichtsveld. Daardoor wordt het observeren van grootschalige neuronale netwerken een uitdaging. DEEPscope pakt deze beperkingen aan door een reeks nieuwe technieken te integreren, waardoor onderzoekers uitgebreide hersengebieden op voorheen onbereikbare dieptes in beeld kunnen brengen.
DEEPscope technologie
De sleutel tot deze technologische innovatie is het adaptieve excitatiesysteem van DEEPscope en het multi-focus polygoon scanschema, waarmee efficiënte fluorescentie gegenereerd kan worden voor beeldvorming met een groot gezichtsveld. Dankzij deze innovaties is beeldvorming met hoge resolutie mogelijk in een veld van 3,23 x 3,23 mm2 met een beeldvormingssnelheid die voldoende is voor het vastleggen van neurale activiteit in de diepste corticale lagen van muizenhersenen.
De mogelijkheid om gelijktijdige twee-foton en drie-foton beeldvorming toe te passen vergroot de veelzijdigheid van het systeem nog verder, waardoor gedetailleerde verkenning van zowel ondiepe als diepe gebieden mogelijk is. In hun studie, gepubliceerd in het tijdschrift eLight, toonden de onderzoekers aan dat DEEPscope in staat is om hele corticale kolommen en subcorticale structuren af te beelden met eencellige resolutie. Ze registreerden met succes neuronale activiteiten in diepe hersengebieden van transgene muizen en observeerden meer dan 4.500 neuronen in zowel ondiepe als diepe corticale lagen.
Beeldvorming van complete hersenen
Daarnaast maakte DEEPscope beeldvorming van de complete hersenen van volwassen zebravissen mogelijk, waarbij structurele details op een diepte van meer dan 1 mm en in een veld van meer dan 3 mm werden vastgelegd - een primeur in de neurowetenschappen. “DEEPscope vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in de technologie voor beeldvorming van de hersenen. Voor het eerst kunnen we complexe neurale circuits in levende dieren op zo'n grote schaal en diepte visualiseren, wat inzicht geeft in de hersenfunctie en mogelijk nieuwe wegen opent voor neurologisch onderzoek”, aldus zegt Aaron Mok, hoofdauteur van het onderzoek.
De gedemonstreerde technieken kunnen eenvoudig worden geïntegreerd in bestaande multiphoton microscopen, waardoor ze toegankelijk worden voor wijdverspreid gebruik in de neurowetenschappen en andere gebieden die beeldvorming van diep weefsel vereisen. De onderzoekers stellen dat het feit dat eerdere beperkingen nu overwonnen kunnen worden, DEEPscope een nieuwe standaard zet voor grootveld, hoge-resolutie, diepe beeldvorming van levend weefsel. Die innovatie heeft veel potentie om het begrip van de ingewikkelde netwerken van de hersenen en hun rol in gezondheid en ziekte te vergroten.
Superresolutie microscopie
Onlangs ontwikkelden Israëlische onderzoekers, in samenwerking met drie grote Israëlische ziekenhuizen, een nieuwe methode om eiwitaggregatie in cellen te detecteren. Ook daarbij werd gebruik gemaakt van innovaties op het gebied van microscopie. Voor het onderzoeken van huidbiopten maakten ze gebruik van superresolutie microscopie in combinatie met computer analyses om eiwitaggregaten nauwkeurig in kaart te brengen.
