Нейробиологи и физики из Германии создали новое устройство, которое позволяет считывать активность свободно движущегося животного «на всю глубину» коры головного мозга. Новый трехфотонный микроскоп может сильно продвинуть науку в исследовании нейронных цепочек, которые ответственны за поведение и когнитивные функции. Описание метода опубликовано в подходящем журнале: Nature Methods [1].
Credit: Julia Kuhl
В 2009 году группа Джейсона Керра из Бонна в сотрудничестве с группой Винфрида Денка из Института нейробиологии Общества Макса Планка (Мартинсрид) создала миниатюрный многофотонный микроскоп, монтирующийся на голове крысы [2]. Это позволило регистрировать активность нейронных популяций, расположенных в нескольких верхних слоях зрительной коры бодрствующих, свободно двигающихся крыс. Хотя этот «двухфотонный волоконноскоп» был прорывом в измерении мозговой активности свободно перемещающихся животных, большинство кортикальных слоев оставались вне досягаемости. Для изображения более глубоких слоев коры головного мозга на клеточном уровне требовался новый подход.
В сотрудничестве с группой Филиппа Рассела в Институте наук о свете Общества Макса Планка, группа Керра разработала небольшой головной многофотонный микроскоп, способный визуализировать все кортикальные слои в свободно движущейся крысе. Свет доставляется через специально разработанное и изготовленное стекловолокно, используя «трехфотонный эффект» для изображения нейрональной активности, расположенной в глубоких кортикальных слоях.
Схема микроскопа и установленное устройство на голове крысы
Визуализация активности нейронов происходит благодаря генетически встроенному кальциевому сенсору GCaMP6s – искусственно созданному на основе зеленого флуоресцентного белка соединению, которое светится во время поступления кальция в пресинаптическую терминаль во время передачи нервного импульса. Позволяет метод увидеть и кальциевую активность астроцитов.
Запись активности нейронов у анестезированной мыши. На изображении f красным «светят» астроциты
По сравнению с двухфотонной или однофотонной флуоресцентной микроскопией, трехфотонная идеально подходит для визуализации сигнала глубоко в рассеивающей ткани и позволяет получить более четкие изображения одиночных клеток глубоко коре. Новый микроскоп позволяет непрерывно визуализировать популяции нейронов, даже когда животное бегает или выполняет сложные поведенческие задачи, в течение длительных периодов времени.
Исследователи ожидают, что фиброскоп будет широко применяться для поведенческих исследований, поскольку предыдущие микроскопы были ограничены в глубине получаемого изображения и непригодны для использования в течение длительного периода времени, ограничивая типы поведения, которые можно было наблюдать. С помощью этого нового подхода исследователи теперь смогут понять сложную сетевую динамику, лежащую в основе нейронных вычислений, которые, в свою очередь, формируют основу восприятия и поведения.
Текст: Алексей Паевский
1. Klioutchnikov, A., Wallace, D.J., Frosz, M.H. et al. Three-photon head-mounted microscope for imaging deep cortical layers in freely moving rats. Nat Methods 17, 509–513 (2020). https://doi.org/10.1038/s41592-020-0817-9
2. Sawinski, J. et al. Visually evoked activity in cortical cells imaged in freely moving animals. Proc. Natl Acad. Sci. USA 106, 19557–19562 (2009).