Vědci představili FlatMux: platformu, která zachytí aktivitu 200 neuronů hluboko v mozku v reálném čase

Mozek je rozsáhlá, hustě propojená síť neuronů, které paralelně zpracovávají informace. Sledování těchto výpočtů v reálném čase by mohlo odhalit, jak mozek zpracovává vjemy a řídí chování.

Mozek je rozsáhlá, hustě propojená síť neuronů, které paralelně zpracovávají informace. Sledování těchto výpočtů v reálném čase by mohlo odhalit, jak mozek zpracovává vjemy a řídí chování. Elektrické signály, které tuto síť ovládají, jsou však rychlé, slabé a notoricky obtížně zachytitelné v živé tkáni.

Nový výzkum publikovaný v časopise Nature Methods popisuje dvoufotónovou zobrazovací platformu nazvanou FlatMux, která zachycuje elektrickou aktivitu téměř 200 neuronů najednou, napříč kortikálními vrstvami a v bezprecedentních hloubkách a rychlostech. Tím otevírá nové možnosti pro pochopení toho, jak se informace pohybují živými mozkovými okruhy. Platforma minimalizuje energii potřebnou k detekci aktivity jednoho neuronu a opticky skenuje laserové pulzy rychlostí 150 milionů vzorků za sekundu. Umožňuje záznamy z téměř 200 neuronů v jedné nebo několika rovinách současně, v hloubkách až 500 mikrometrů a s frekvencí snímání až 2 000 za sekundu.

Díky citlivosti i rychlosti tohoto nástroje mohou nyní vědci začít mapovat neurony, které jsou funkčně propojeny a kauzálně na sebe vzájemně působí. To umožní nové pochopení toho, jak zapojení a funkce mozku vedou ke kognitivním schopnostem. Na rozdíl od metod využívajících elektrodové sondy umožňuje přímé zobrazování elektrické aktivity pomocí fluorescence současně odvodit polohu a typ zaznamenaných neuronů. Alipasha Vaziri, vedoucí Laboratoře neurotechnologie a biofyziky na Rockefellerově univerzitě, zdůrazňuje, že platforma umožňuje zkoumat, jak různé mozkové funkce vznikají zpracováním informací vysoce propojeným systémem, kde je výpočet distribuován napříč velkými sítěmi neuronů.

Stávající optické zobrazovací nástroje měly svá omezení. Dlouho se spoléhalo na kalciové zobrazování, které sleduje nárůsty vápníku spojené s aktivitou neuronů. Kalciové signály jsou však pouze nepřímým měřením elektrické aktivity a jsou mnohem pomalejší než milisekundové elektrické impulsy, které mozkové buňky používají ke komunikaci. V posledních letech se vědci obrátili k geneticky kódovaným indikátorům napětí (GEVI), které přímo hlásí napětí. Jejich signály jsou však slabé a kolísají asi 100krát rychleji než kalciové signály, což ztěžuje jejich zachycení hluboko v živé mozkové tkáni. Zobrazování v hloubce vyžaduje dvoufotónovou mikroskopii, která má svá fyzická omezení – příliš málo laserového výkonu produkuje nepoužitelné signály, zatímco příliš mnoho může tkáň zahřívat nebo ničit senzory. Tradiční dvoufotónové systémy jsou navíc neefektivní v dodávání světla.

Tým Alipashy Vaziriho se proto zaměřil na vytvoření systému, který by maximalizoval efektivitu excitace. Platforma FlatMux využívá optickou dutinu, která rozděluje laserový paprsek na mnoho přesně načasovaných pulzů. Ty jsou koordinovaně dodávány do řady odlišných, nepřekrývajících se bodů v tkáni. Tento přístup umožňuje rychlejší skenování a je mnohem efektivnější, generuje silnější signály z menšího množství světla a zároveň snižuje zahřívání tkáně. Systém je navíc škálovatelný, což znamená, že s budoucím zlepšením GEVI senzorů bude FlatMux schopen zaznamenávat ještě větší neuronové populace při zachování stejné rychlosti a bez dalšího zvyšování výkonu.