Technologia obrazowania 3D pomaga lepiej poznać mózg
W mózgu można wyróżnić struktury o różnych wielkościach. Należą do nich bardzo małe połączenia synaptyczne, które łączą ze sobą neurony oraz większe struktury mózgu, takie jak kora nowa i móżdżek. „Aby zrozumieć, w jaki sposób mózg interpretuje informacje sensoryczne i motoryczne oraz uczy się i wykonuje zadania poznawcze, musimy wiedzieć, jak mierzyć sygnały przepływające przez obwody neuronowe”, wyjaśnia Angus Silver, koordynator projektu 3DSCAN i profesor neuronauki na angielskim University College London. Do przeprowadzania pomiarów neuronaukowcy coraz częściej stosują mikroskopię dwufotonową, szczególny rodzaj mikroskopii fluorescencyjnej. „Wielofotonowe techniki obrazowania fluorescencyjnego pozwalają naukowcom »wizualizować« aktywność nerwową w obwodach mózgowych zwierząt podczas wykonywania zadania behawioralnego”, mówi Silver.
Soczewka akustyczno-optyczna
Nawet przy zastosowaniu tej najnowocześniejszej technologii pomiar aktywności mózgu jest niezwykle skomplikowanym zadaniem. Głównym wyzwaniem jest to, że tradycyjne mikroskopy dwufotonowe generują obrazy 2D i powoli dostosowują ostrość do różnych głębokości. „Nadrzędnym celem moich badań jest zrozumienie, w jaki sposób móżdżek i kora nowa przekazują i przetwarzają informacje sensoryczne i motoryczne podczas nabywania określonych umiejętności”, mówi Silver. „Mikroskopia dwufotonowa stanowi najlepsze narzędzie do badania struktury i funkcji mózgu na poziomie synaptycznym, neuronalnym i obwodowym. Uważam jednak, że do monitorowania aktywności w obwodach mózgu w 3D potrzebna jest lepsza rozdzielczość czasowa”. W związku z tym Silver wraz ze swoim zespołem opracował technologię skanowania 3D z użyciem soczewki akustyczno-optycznej (ang. acousto-optic lens, AOL) dzięki poprzedniej dotacji ze środków UE. Składa się ona z czterech deflektorów akustyczno-optycznych ułożonych w szereg, które są wbudowane w mikroskop dwufotonowy. Zespół projektu, złożony z inżynierów elektryków, fizyków, programistów i eksperymentalistów, zbudował i przetestował tę innowację oraz zweryfikował jej skuteczność. „Odkryliśmy, że możemy teraz z dużą prędkością selektywnie skanować w 3D drobne struktury neuronalne, takie jak drzewa dendrytyczne”, dodaje Silver. Nieliniowa technologia skanowania AOL 3D została opatentowana przez UCL Business.
Nowe narzędzia
Celem projektu 3DSCAN było wykorzystanie tego sukcesu i ułatwienie komercjalizacji innowacyjnej technologii skanowania w 3D. Cel ten osiągano poprzez zapewnienie wsparcia w zakresie ochrony własności intelektualnej, udoskonalenie niskokosztowych technik produkcji oraz zbadanie rynków docelowych i potrzeb potencjalnych partnerów przemysłowych z branży mikroskopii, nauk biologicznych i innych. „Otrzymana dotacja umożliwiła Agile Diffraction, spółce spin-off UCL, podpisanie wyłącznej umowy licencyjnej z UCL Business na dostęp do kluczowych informacji w celu komercjalizacji i udzielania sublicencji na wykorzystanie opracowanej technologii”, mówi Silver. „Proces produkcji skanerów 3D AOL został przetestowany, a inwestycje założycieli wykorzystano do nabycia sprzętu niezbędnego do rozpoczęcia budowy skanerów laserowych AOL”, dodaje uczony. Mikroskop dwufotonowy stał się głównym narzędziem, z którego korzystają neuronaukowcy, a Silver uważa, że dzięki technologii 3D uda się rozszerzyć jego funkcje. Skaner jest obecnie dostępny na rynku, a firma współpracuje z naukowcami chętnymi do zakupu skanerów 3D AOL do swoich laboratoriów i instytucji. Kluczową zaletą tej technologii skanowania jest to, że stanowi ona uzupełnienie istniejących mikroskopów dwufotonowych. „Historia neuronauki pokazuje, że nasze poznawanie mózgu w dużej mierze jest ograniczone przez dostępne technologie”, dodaje badacz. Silver jest przekonany, że nieliniowy skaner AOL 3D przyspieszy tempo przeprowadzenia badań obwodów, przybliżając naukowców do opracowania nowych metod leczenia chorób i zaburzeń neurologicznych.
Słowa kluczowe
3DSCAN, mózg, neuronowy, mikroskopia, bionauki, neurony, sensoryczne, neuronauka
