Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskop ermöglicht einen Blick in die Zukunft

Das Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskop bringt die Menschheit der Fähigkeit, mit ihrer Umgebung nur durch Gedanken zu interagieren, einen Schritt näher.

Die Überwachung der Gehirnaktivität ist seit der Entstehung dieser Fähigkeit ein zentraler Bestandteil der Neurowissenschaften. Das menschliche Gehirn ist weniger erforscht als das Universum und die Ozeane. Daher werden enorme Anstrengungen unternommen, um die Geheimnisse zu lüften, die in Ihrem Kopf schlummern. Jetzt können Forscher mithilfe einer revolutionären Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskop-Methode in Echtzeit tiefer in die geistige Aktivität eintauchen. Folgendes müssen Sie wissen.

Das Verständnis der Gehirnaktivität ist für viele Branchen von entscheidender Bedeutung, einschließlich der Behandlung neurologischer Erkrankungen wie Alzheimer. Wissenschaftler haben erhebliche Anstrengungen unternommen, um herauszufinden, wie Neuronen beim Denken kommunizieren und interagieren. Das Ziel dieser Forschung ist es, komplexe neuronale Interaktionen bis hin zur zellulären Auflösung vollständig zu verstehen.

Forscher hoffen, diese Daten nutzen zu können, um Aufschluss über grundlegende Gehirnfunktionen zu geben, die eines Tages zu einer Verbesserung des Lernens, des Gedächtnisses, der Entscheidungsfindung und der Gesundheitsversorgung führen könnten. Um diese Aufgabe zu erfüllen, haben sie ein fortschrittliches Zwei-Photonen-Bildgebungstool entwickelt, das in der Lage ist, dynamische neuronale Prozesse in Echtzeit zu verfolgen und so einen tieferen Einblick in das Gehirn beim Lernen, bei Aktivitäten und bei Krankheitszuständen zu ermöglichen.

Aktuelle Methoden zur Registrierung der Gehirnaktivität

Es gibt heute verschiedene Methoden zur Registrierung der Gehirnaktivität. Diese Ansätze haben der Branche bis heute geholfen, sich weiterzuentwickeln. Sie haben jedoch einige erhebliche Nachteile, unter anderem, dass die Überwachung der Aktivität mehr Zeit in Anspruch nimmt, für den Patienten schädlich sein kann und zu hohe Kosten verursacht. Zu den beiden heute am häufigsten verwendeten Methoden gehören die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) und die Elektroenzephalographie (EEG).

Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT)

Die funktionelle Magnetresonanztomographie ist heute eine der fortschrittlichsten Methoden zur Überwachung von Gehirnwellen. Dieses nicht-invasive Verfahren integriert Magnetfelder und Radiowellen, um ein 3D-Bild der elektromagnetischen Impulse Ihres Gehirns zu erstellen. Diese Strategie stellte eine wesentliche Verbesserung gegenüber früheren Optionen dar, da sie es den Forschern ermöglichte, sich auf eine bestimmte Gruppe von Neuronen zu konzentrieren und so ihr Gesamtverständnis der Gehirnaktivität erheblich zu verbessern.

Elektroenzephalographie (EEG)

Eine weitere Methode, die Sie vielleicht in Filmen gesehen haben, ist die Elektroenzephalographie. Dieser Ansatz misst die elektrische Aktivität Ihres Gehirns. Patienten müssen spezielle Sensoren auf ihrer Kopfhaut anbringen, die empfindlich auf elektrische Ströme reagieren. Diese Methode zur Verfolgung von Gehirnwellen wird seit 1975 verwendet, als Richard Caton sie erstmals mit Erfolg zur Verfolgung der elektrischen Impulse im Gehirn von Kaninchen und Affen einsetzte.

Seitdem hat sich diese Methode zur Registrierung der Gehirnaktivität deutlich verbessert. In den 1950er Jahren wurde die erste moderne Variante des EEG eingeführt. Es diente bis in die 1980er Jahre treu als primäre Methode zur Verfolgung von Gehirnwellen. Im Jahr 1988 wurde es verwendet, um einem Menschen die Steuerung eines Roboters zu ermöglichen, und es wird immer noch von vielen Forschern verwendet.

Studieren

Die Studie „Hochgeschwindigkeits-Zwei-Photonen-Mikroskopie mit adaptiver Linienanregung“ wurde in Optica veröffentlicht und zeigt, wie Zwei-Photonen-Mikroskopie unübertroffene Hochgeschwindigkeitsbilder neuronaler Aktivität liefern kann. Diese Fotos wurden mit einer zellularen Auflösung mit einem speziell angefertigten Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskop aufgenommen.

Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskop

Das Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskop ist in der Lage, lebendige Bilder tief ins Gehirngewebe zu liefern. Um diese Aufgabe zu erfüllen, führt der Mechanismus eine adaptive Abtaststruktur ein. Diese Struktur würde während des gesamten Experiments wiederholt, um dynamische 3D-Bilder und Karten der Gehirnaktivität zu erstellen.

Adaptive Sampling-Strategie

Im Kern der Studie steht die Einführung der adaptiven Sampling-Strategie. Diese Methode ersetzt herkömmliche Punktbeleuchtungstechniken. Stattdessen wird eine effektivere Linienbeleuchtungsstrategie zusammen mit einer aktualisierten Punktscanmethode eingesetzt, die im Vergleich zu früheren Methoden weitaus mehr Details und Überwachungsmöglichkeiten bietet.

Punktscannen

Punktscannen mit alten Methoden ließ viel zu wünschen übrig. Zum einen war es äußerst spezifisch, was oft dazu führte, dass es nicht möglich war, eine ganze Neuronensequenz im Gehirn zu verfolgen. Das neue Punktscanverfahren nutzt eine veränderte Linienbeleuchtungsstrategie, um hochauflösende Punktscanverfahren zu imitieren. Diese Strategie ist entscheidend, um zu identifizieren, welche Bereiche des Gehirns mit dem nächsten Schritt des Prozesses, dem Zeilenscannen, fortfahren müssen.

Linienbeleuchtung

Die Linienbeleuchtung ist ein Durchbruch für Neurologieingenieure. Die Methode projiziert eine kleine Lichtlinie über einen abgetasteten Bereich. Dieser Ansatz regt Fluoreszenz an, was es einfacher macht, neurologische Signale im gesamten Gehirn von Anfang bis Ende zu verfolgen. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz, dass ein viel größerer Bereich des Gehirns in Echtzeit angeregt, gescannt und kartiert wird.

Zwei-Photonen-Mikroskoptests

An der Testphase des Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskops waren zwei Labormäuse beteiligt, bei denen Forscher die neuronale Aktivität im Mauskortex in Echtzeit verfolgen konnten. Bemerkenswert ist, dass das Gerät derzeit Bildsignale bis zu 198 Hz erfassen kann. In diesem Test verfolgten die Ingenieure Kalziumsignale, die auf aktuelle neuronale Aktivität hinweisen können.

Digitales Mikrospiegelgerät (DMD)

Um diese Aufgabe zu erfüllen, wird mithilfe eines digitalen Mikrospiegelgeräts (DMD) ein speziell konfiguriertes Laserstrahlmuster erzeugt. Diese Einheit enthält Tausende von mikroskopischen Spiegeln. Jeder dieser Spiegel verfügt über individuelle Steuerungen, mit denen er das Licht gezielt auf bestimmte Teile des Gehirns ausrichten kann. Zusätzlich können die Spiegel so eingerichtet werden, dass sie aktiviert werden

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