Teknik baru memungkinkan melacak perubahan voltase milidetik, pensinyalan kalsium pada tikus yang terjaga – Sains Terkini

Sinyal listrik dan kimia menyala melalui otak kita secara konstan ketika kita bergerak melalui dunia, tetapi akan membutuhkan kamera berkecepatan tinggi dan jendela ke otak untuk menangkap jalur singkat mereka.

University of California, Berkeley, para penyelidik kini telah membangun kamera semacam itu: sebuah mikroskop yang dapat mencitrakan otak tikus yang waspada 1.000 kali per detik, merekam untuk pertama kalinya lewatnya pulsa elektrik milidetik melalui neuron.

"Ini benar-benar mengasyikkan, karena kita sekarang dapat melakukan sesuatu yang orang tidak bisa lakukan sebelumnya," kata ketua peneliti Na Ji, seorang profesor fisika UC Berkeley dan biologi molekuler dan sel.

Teknik pencitraan baru menggabungkan dua-foton fluoresensi mikroskop dan pemindaian laser semua-optik dalam mikroskop canggih yang dapat gambar irisan dua dimensi melalui neokorteks otak mouse hingga 3.000 kali per detik. Itu cukup cepat untuk melacak sinyal listrik yang mengalir melalui sirkuit otak.

Dengan teknik ini, ahli saraf seperti Ji sekarang dapat menghitung sinyal listrik ketika mereka menyebar melalui otak dan akhirnya mencari masalah transmisi yang terkait dengan penyakit.

Salah satu keuntungan utama dari teknik ini adalah teknik ini memungkinkan para ilmuwan saraf untuk melacak ratusan hingga puluhan ribu input yang diterima sel otak mana pun dari sel otak lain, termasuk yang tidak memicu sel untuk terbakar. Input sub-ambang ini – baik menarik atau menghambat neuron – secara bertahap menambah crescendo yang memicu sel untuk menembakkan potensial aksi, meneruskan informasi ke neuron lain.

Dari elektroda ke pencitraan fluoresensi

Metode khas untuk merekam penembakan listrik di otak, melalui elektroda yang tertanam dalam jaringan, mendeteksi hanya blip dari beberapa neuron ketika perubahan milidetik berubah. Teknik baru ini dapat menunjukkan dengan tepat neuron penembakan yang sebenarnya dan mengikuti jalur sinyal, milidetik demi milidetik.

"Dalam penyakit, banyak hal yang terjadi, bahkan sebelum Anda dapat melihat neuron ditembakkan, seperti semua peristiwa subthreshold," kata Ji, anggota dari Helen Wills Neuroscience Institute UC Berkeley. "Kami tidak pernah melihat bagaimana suatu penyakit akan berubah dengan input subthreshold. Sekarang, kami memiliki pegangan untuk mengatasinya."

Ji dan rekan-rekannya melaporkan teknik pencitraan baru dalam edisi Maret jurnal Metode Alam. Dalam masalah yang sama, dia dan rekan-rekan lainnya juga menerbitkan sebuah makalah yang menunjukkan teknik berbeda untuk pencitraan pensinyalan kalsium pada sebagian besar belahan otak tikus sekaligus, yang menggunakan "mesoscope" bidang pandang luas dengan dua Pencitraan -photon dan Bessel fokus scanning. Konsentrasi kalsium terkait dengan perubahan tegangan ketika sinyal ditransmisikan melalui otak.

"Ini adalah pertama kalinya seseorang menunjukkan dalam tiga dimensi aktivitas saraf volume otak yang begitu besar sekaligus, yang jauh melampaui apa yang dapat dilakukan elektroda," kata Ji. "Lebih jauh, pendekatan pencitraan kami memberi kami kemampuan untuk menyelesaikan sinapsis dari setiap neuron."

Sinapsis adalah tempat di mana neurotransmitter dilepaskan oleh satu neuron untuk merangsang atau menghambat yang lain.

Salah satu tujuan Ji adalah untuk memahami bagaimana neuron berinteraksi melintasi area besar otak dan akhirnya menemukan sirkuit penyakit yang terkait dengan gangguan otak.

"Dalam gangguan otak, termasuk penyakit neurodegenerative, bukan hanya satu neuron atau beberapa neuron yang sakit," kata Ji. "Jadi, jika Anda benar-benar ingin memahami penyakit-penyakit ini, Anda ingin dapat melihat sebanyak mungkin neuron di berbagai daerah otak. Dengan metode ini, kita bisa mendapatkan gambaran yang lebih global tentang apa yang terjadi di otak. "

Mikroskopi dua foton

Ji dan rekan-rekannya dapat mengintip ke dalam otak berkat probe yang dapat disematkan ke tipe sel tertentu dan menjadi fluoresen ketika lingkungan berubah. Untuk melacak perubahan tegangan pada neuron, misalnya, timnya menggunakan sensor yang dikembangkan oleh penulis bersama Michael Lin dari Stanford University yang menjadi berpendar ketika membran sel mendepolarisasi saat sinyal tegangan merambat di sepanjang membran sel.

Para peneliti kemudian menerangi probe fluoresens ini dengan laser dua-foton, yang membuatnya memancarkan cahaya, atau fluoresce, jika mereka telah diaktifkan. Cahaya yang dipancarkan ditangkap oleh mikroskop dan digabungkan menjadi gambar 2D yang menunjukkan lokasi perubahan tegangan atau keberadaan bahan kimia tertentu, seperti ion pensinyalan, kalsium.

Dengan memindai laser di otak dengan cepat, seperti senter yang secara bertahap mengungkapkan pemandangan di dalam ruangan yang gelap, para peneliti dapat memperoleh gambar dari satu lapisan tipis neokorteks. Tim mampu melakukan 1.000 hingga 3.000 pemindaian 2D penuh dari satu lapisan otak tunggal setiap detik dengan mengganti salah satu dari dua cermin berputar laser dengan cermin optik – sebuah teknik yang disebut penundaan ruang-ditingkatkan angular-chirp-enhanced (FACED). FACED dikembangkan oleh penulis kertas Kevin Tsia di University of Hong Kong.

Pencitraan kilohertz tidak hanya mengungkapkan perubahan voltase milidetik, tetapi juga lebih lambat mengubah konsentrasi kalsium dan glutamat, neurotransmitter, sedalam 350 mikron (sepertiga milimeter) dari permukaan otak.

Untuk mendapatkan gambar 3D yang cepat dari pergerakan kalsium melalui neuron, ia menggabungkan dua-foton fluorescent microscopy dengan teknik yang berbeda, Bessel focus scanning. Untuk menghindari pemindaian yang memakan waktu dari setiap lapisan neokorteks setebal mikron, fokus eksitasi laser dua-foton dibentuk dari titik ke silinder kecil, seperti pensil, panjangnya sekitar 100 mikron. Sinar pensil ini kemudian dipindai pada enam kedalaman yang berbeda melalui otak, dan gambar-gambar fluoresen digabungkan untuk membuat gambar 3D. Ini memungkinkan pemindaian lebih cepat dengan sedikit kehilangan informasi karena dalam setiap volume seperti pensil, biasanya hanya satu neuron yang aktif setiap saat. Mesoscope dapat mencitrakan area berdiameter sekitar 5 mm – hampir seperempat dari satu belahan otak tikus – dan kedalaman 650 mikron, dekat dengan kedalaman penuh neokorteks, yang terlibat dalam pemrosesan informasi yang kompleks.

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.