Umfang Voraus, verrät ein Erster Blick durch alle kortikalen Schichten des Wachen Gehirns

Genau wie ärzte versuchen zu Scannen tiefer in den Körper mit sonograms, CT und MRT, und Astronomen suchen, schauen Sie weiter in das Universum mit weltraumteleskopen, adaptiver Optik und verschiedenen Wellenlängen des Lichts, Neurowissenschaftler neue Wege verfolgen, zu beobachten Hirnzellen bei der Arbeit tief im inneren des Gehirns. Drei-Photonen-Mikroskopie vor kurzem entstanden, um Ihnen einen tieferen Einblick in die Zellen des Gehirns als je zuvor. Jetzt, basierend auf einer erheblichen Verfeinerung der Technologie, Wissenschaftler am MIT haben, führte die erste Studie der stimulierten neuronalen Aktivität im wach-Maus durch jeden visuellen cortex Schicht und vor allem ist der geheimnisvolle „Anschlussplatte“ weiter unten.

„Durch die Optimierung der optischen Gestaltung und weitere Funktionen für den Parameter für Messungen im lebenden Gehirn waren wir in der Lage, tatsächlich neuartige Erkenntnisse, die bisher nicht möglich waren“, sagte co-entsprechenden Autor Mriganka Sur, Newton, Professor der Neurologie in die Picower-Institut für Lernen und Gedächtnis. Das Papier ist co-lead-Autoren sind Doktoranden Murat Yildirim und Sugihara Hiroki. Der entsprechende Autor ist Peter So, professor of mechanical engineering and biological engineering.

„Das Konzept hat Bestand, aber die Frage war, wie kann Sie es schaffen,“ Sur gesagt.

In der Studie, veröffentlicht in Nature Communications, zeigte das team, dass, als Mäuse beobachtete, visuelle Reize, Ihre menschlichen Beobachter Messen könnte Muster der Aktivität unter Neuronen in allen sechs Schichten des visuellen cortex und der Anschlussplatte, die neue Daten über Ihre Rolle in, wie Säugetiere Prozess vision. Außerdem, durch eine Reihe von sorgfältigen Experimenten konnten die Forscher zeigen, dass das Licht, das Sie geschickt in, sowie das Licht, das kam wieder raus, weder beschädigt, noch verändert, die Zellen, die Sie gemessen.

In allen, beschreibt das Papier ein neues drei-Photonen-Mikroskop optimiert zu liefern schnelle, kurze, low-power-Impulse des Lichtes, in der Lage zu erreichen tiefen Zielvorgaben, ohne dass jede funktionelle Störung oder körperliche Schäden, und dann detektieren der resultierenden Fluoreszenz emittiert, die durch Zellen mit hoher Effizienz zu produzieren Bilder mit scharfe Auflösung und schnelle Bildrate.

„Wir wurden motiviert, um zu zeigen, was wir tun könnten, mit drei-Photonen-Mikroskop-Technologie für ein Tier in einem Wachen Zustand, so könnten wir Fragen, wichtige Fragen der Neurowissenschaften“ Yildirim sagte. „Sie könnte denken, Sie haben das beste Mikroskop der Welt, aber bis Sie Fragen Sie diese Fragen, die Sie nicht wissen, welche Ergebnisse du bekommst.“

Femtosekunden und nanojoules

Die Theorie hinter der multi-Photonen-Mikroskopie stammt aus dem Jahr 1931 dissertation von Maria Göppert-Mayer, deren Arbeit zeigte, dass eine gleichzeitige Kombination von niedrigerer Energie Photonen begeistern konnte ein atom oder Molekül zu einem höheren Energiezustand, wie ein einzelnes höheres energetisches photon könnte. Im Jahre 1990 an der Cornell University Wissenschaftler angewendet, die Einsicht zur biologischen Bildgebung in der zwei-Photonen-Mikroskop und auch in 2013 wieder mit einem drei-Photonen-Bereich. Diese erlaubt die Neurowissenschaftler um zu sehen, tiefer in das Gehirn aufgrund der niedrigeren Energie, der Photonen mit einer größeren Wellenlänge weniger anfällig sind als die höheren Energie -, kürzer-Wellenlänge Photonen Streuung von zellulären Molekülen, wie Lipiden.

Sur-und Damit die labs am MIT haben sich dabei die Grenzen der Mikroskopie, multiphotonen-Mikroskopie. In der neuen Studie, die Sie zeigen, haben Sie es mittlerweile weit genug, um Studie Leben die neuronale Aktivität. Zu tun, dass das team versucht zu verfeinern, viele verschiedene Parameter sowohl der laser-Licht und den Umfang der Optik, basierend auf sorgfältigen Messungen der Eigenschaften von Hirngewebe, wurden Sie imaging. Zum Beispiel, Sie nicht nur gemessen wird die Energie in die Zellen begonnen, um zu zeigen, offenkundige Schäden (etwa 10 nanojoules), aber auch gemessen wird die Leistung, bei der Zellen beginnen würde, sich anders zu Verhalten, wodurch Daten beeinflusst die Messung (2 bis 5 nanojoules). Mit Präzision und Zweck zu liefern geringere Energie-Ebenen, die Wissenschaftler optimierten den Umfang zu emittieren extrem kurze Lichtimpulse nachhaltig für eine „Pulsweite“ von nur 40 Femtosekunden, oder quadrillionths einer Sekunde und sorgfältig geordnet die Optik, die zur Maximierung der Sammlung von Licht, Molekülen, angeregt durch die eingehenden laser-Energie, emittieren würde zurück.

Beispiellose neuroscience

Nach sorgfältiger überprüfung, dass die optimierte drei-Photonen-Umfang der Messungen vereinbart, mit denen der zwei-Photonen-Bereiche (in den flacheren Schichten des cortex) und Elektrophysiologie (was kann noch tiefer gehen, aber blind), das team um einige der beispiellosen neuroscience—direkte visuelle Beobachtung der neuronalen Aktivität, die in allen kortikalen Schichten wach sind, Verhalten sich die Tiere.

Im Labor zeigten Sie Mäuse einige Gitter-Muster in 12 verschiedenen gedrehten Orientierungen und zwei Richtungen der Bewegung über den Bildschirm. Mit Ihren optimierten drei-Photonen-Bereich, Sie beobachteten Neuronen in jeder Schicht des cortex—gehen mehr als ein millimeter tief, um zu sehen, wie sich die Zellen reagierten auf diese standard-visual-Eingang. Sie konnte sehen, dass die Aktivität der Zellen, denn Sie hatten sich entwickelt, Sie zu glühen bei erhöhter calcium-Aktivität, mit einem label namens GCaMP6s. Sie konnte sehen anderen Geweben wie Blutgefäßen und weißen Substanz über ein Phänomen namens „third harmonic generation.“

Mit der Fähigkeit zum sehen in die tiefsten Schichten, die Sie beobachtet, dass die Schicht 5 Neuronen sind „breiter“ abgestimmt, für die Orientierung, das heißt, Sie reagieren auf eine Vielzahl von Ausrichtungen, anstatt nur ein oder 2 bestimmte. Schicht 5-Neuronen hatte auch mehr spontane Aktivität als Zellen in anderen Ebenen und weitere verbindungen zu den tieferen teilen des Gehirns. Unterdessen Schicht mit 6 Neuronen hatte sich etwas schärfer Orientierung tuning als Neuronen in anderen Ebenen, das heißt, Sie sind spezifischer in Ihrer Reaktion auf die unterschiedlichen Orientierungen.

Anschlussplatte überraschung

Ihre überraschendste Ergebnis war, dass die Anschlussplatte, eine dünne Schicht von meist neuronale „white-matter“ – Fasern, war die Heimat einer population von Neuronen mit Muster von Aktivität, die waren schwach und breit abgestimmt, um den visuellen input. Das Ergebnis war aufschlussreich, sagten die Forscher, dass viele Neurowissenschaftler vermutet, dass subplate Neuronen waren meist nur aktiv, während der Entwicklung. Die Schicht ist zu Dünn, Yildirim sagte, gemessen mit der Elektrophysiologie.

„So weit, subplate Neuronen im Erwachsenen Gehirn wurden nicht untersucht, aufgrund der technischen Herausforderungen bei der Bildgebung, die diese Zellen in vivo,“ die Forscher schrieb.

Sugihara erinnerte an die erste Zeit Yildirim zeigte ihm, dass subplate Neuronen wurden aktiv in den Reifen Mäusen. „Was machen Sie da?“, erinnerte er sich Fragen, in Erstaunen.