Přesné zkoumání mozku: Chytrý laserový stmívač eliminuje rušení a otevírá cestu k novým lékům

Tým vědců z Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), vedený profesory Qu Jiananem a Julií L. Semmelhack, vyvinul inovativní techniku řízení laseru, která funguje jako chytrý stmívač.

Tým vědců z Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), vedený profesory Qu Jiananem a Julií L. Semmelhack, vyvinul inovativní techniku řízení laseru, která funguje jako chytrý stmívač. Tato metoda, nazvaná Active Pixel Power Control (APPC), dokáže selektivně upravovat jas každého pixelu během laserového skenování, čímž výrazně zvyšuje přesnost optické manipulace a zobrazování mozku a zabraňuje neúmyslné aktivaci neuronů.

Pokroky v optickém zkoumání nervových obvodů v posledních letech umožnily přesně určit, které neurony spouštějí konkrétní pohyby, vnímání nebo emoční reakce. Toho bylo dosaženo díky geneticky kódovaným senzorům aktivity, které způsobují, že neurony při „palbě“ září pod mikroskopem, a optogenetickým aktivačním proteinům, které umožňují zapínat nebo vypínat specifické neurony pomocí světelných záblesků. Hlavní výzvou však zůstával problém takzvaného „crosstalku“ – infračervený laser určený k pasivnímu pozorování mohl sám aktivovat jiné neurony, což ztěžovalo rozlišení přirozené mozkové aktivity od experimentálních artefaktů. Profesor Qu zdůraznil, že tento jev zásadně ovlivňoval přesnost výzkumu.

Strategie APPC řeší tento problém tím, že funguje jako inteligentní stmívač v reálném čase. Pomocí speciálního mapovacího softwaru, který identifikuje místa exprese optogenetických proteinů, rychle akusticko-optický modul dynamicky upravuje výkon laseru pro každý skenovaný pixel. To umožňuje snížit nebo dokonce zcela vypnout výkon laseru u specifických neuronů s různou úrovní exprese optogenetických proteinů, zatímco v ostatních oblastech mozku udržuje rovnoměrnou a stabilní intenzitu světla. Tím se účinně snižuje problém crosstalku. Profesorka Semmelhack popsala APPC jako jednoduchou, ale technicky náročnou myšlenku, která umožňuje chránit neurony určené ke stimulaci, aniž by se obětovala kvalita záznamu jinde.

Tým technologii úspěšně otestoval na larvách zebřiček, malých, průhledných obratlovcích široce používaných ve výzkumu mozku, které sdílejí více než 70 % genetické podobnosti s lidským mozkem. Studie prokázala, že APPC dokázala zachovat kvalitu neuronálních signálů a zároveň potlačit optogenetické artefakty a snížit crosstalk. Důležitou předností APPC je její kompatibilita se standardními dvoufotónovými mikroskopy, které jsou celosvětově rozšířené. To umožňuje praktickou a nákladově efektivní implementaci bez nutnosti kompletní výměny systémů. Strategie APPC je snadno rozšiřitelná i na další zvířecí modely, zejména myši, které jsou nejčastěji používaným modelem v moderní neurovědě.

Profesor Qu dodal, že optické zkoumání umožňuje vědcům přesně zkoumat, jak mozkové obvody řídí chování za přirozených fyziologických podmínek. APPC nyní tuto vizi přibližuje řešením problému crosstalku, který byl jedním z největších technických překážek. Tento průlomový výzkum tak otevírá nové možnosti pro hlubší pochopení mechanismů mozkových onemocnění a usnadní vývoj nových léků prostřednictvím modelů nemocí na malých zvířatech.