Новый метод фиксирует нейронную и сосудистую динамику с высоким разрешением в глубине мозга

Совместная исследовательская группа под руководством доктора Ван Кая и доктора Ду Цзюлиня из Института нейронаук Центра передового опыта в области науки о мозге и интеллектуальных технологий Китайской академии наук представила новый метод объемной визуализации — конфокальную светопольную микроскопию (Confocal LFM) — для скоростной съемки быстрой нейронной и сосудистой динамики в глубине мозга.

Исследование опубликовано в Nature Biotechnology 10 августа.

Традиционные инструменты для визуализации in vivo в мозге, такие как конфокальная микроскопия и двухфотонная сканирующая микроскопия, основаны на схеме точечного сканирования и слишком медленны для изучения быстрой объемной динамики.

Светопольная микроскопия (LFM) привлекла внимание благодаря своей способности к мгновенной объемной визуализации, которая захватывает информацию со всего 3D-объема сразу на сенсоре изображения за одно экспонирование камеры.

Обычная LFM ранее применялась для визуализации мозга. Однако у технологии есть две основные проблемы: артефакты реконструкции и отсутствие оптической секционирующей способности, что препятствует ее широкому применению.

В 2017 году группа Ван разработала новый тип LFM, XLFM, для решения первой проблемы. Однако вторая оставалась нерешенной.

Внедрение оптической секционирующей способности в LFM имеет ключевое значение, поскольку она предотвращает интерференцию сигнала от расфокусированного фона с сигналом в фокусе и играет жизненно важную роль для визуализации толстых тканей.

Прямое заимствование концепции конфокального детектирования, обеспечивающего 3D-визуализацию, казалось очевидным решением. Однако это оказалось невозможным из-за кардинально отличного мгновенного объемного принципа работы LFM от традиционной схемы послойной съемки.

Чтобы решить эту задачу, лаборатория Ван предложила новую идею — обобщить концепцию конфокального детектирования и сделать ее совместимой с LFM без потери скорости съемки. Метод получил название Confocal LFM.

Без интерферирующего фонового шума Confocal LFM значительно улучшила разрешение изображения и чувствительность детектирования кальциевых сигналов при функциональной визуализации активности нейронов во всем мозге рыбки данио.

Метод также был интегрирован с быстрой 3D-трекинговой системой для захвата коррелированной поведенческой нейронной активности у свободно плавающих личинок данио. Например, удалось надежно записать активность отдельных нейронов во время охоты личинки данио за добычей.

Исследователи также применили Confocal LFM для визуализации кальциевых транзиентов и циркулирующих клеток крови в мозге бодрствующей мыши. Высокопараллельная и светоэффективная съемка позволила непрерывно записывать более 100 000 объемов без значительного фотообесцвечивания.

Они также продемонстрировали визуализацию популяций циркулирующих клеток крови в сложной 3D-сосудистой сети. Результаты показали возможность точного отслеживания и количественной оценки динамики потока клеток крови, что представляет более чем 100-кратное увеличение пропускной способности по сравнению с традиционными методами визуализации.

Гибкость, повышенное разрешение и чувствительность Confocal LFM, продемонстрированные в этой работе, делают метод перспективным для широкого применения в захвате и изучении чрезвычайно быстрой объемной динамики в глубине мозга или в других типах толстых тканей в целом.