Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Sử dụng công nghệ hình ảnh mới, các nhà nghiên cứu hiện có thể ghi lại hoạt động của các quần thể tế bào não lớn với tốc độ chưa từng thấy và ở độ sâu mới.
Để hiểu được bộ não, các nhà khoa học phải có khả năng nhìn thấy bộ não – từng tế bào và từng khoảnh khắc. Tuy nhiên, vì bộ não bao gồm hàng tỷ bộ phận chuyển động siêu nhỏ, việc ghi lại một cách trung thực hoạt động của chúng đi kèm với nhiều thách thức. Ví dụ, trong bộ não động vật có vú dày đặc, rất khó để theo dõi những thay đổi tế bào nhanh chóng trên nhiều cấu trúc não – đặc biệt là khi những cấu trúc đó nằm sâu trong não.
Một kỹ thuật kính hiển vi mới, được phát triển bởi các nhà khoa học Rockefeller, tích hợp các phương pháp mới và hiện có để giúp xây dựng một bức tranh gắn kết hơn về bộ não. Được mô tả trong Tế bào , công nghệ ghi lại hoạt động của tế bào trên một khối lượng lớn mô thần kinh, với tốc độ ấn tượng và ở độ sâu mới.
Trong nhiều thập kỷ, hình ảnh não đã bị ảnh hưởng bởi sự đánh đổi. Một số kỹ thuật tạo ra hình ảnh đẹp nhưng không thể ghi lại hoạt động thần kinh trong thời gian thực. Những người khác có thể theo kịp tốc độ của não nhưng có độ phân giải không gian kém. Và mặc dù có những chiến thuật kết hợp thành công sự nhanh chóng và chất lượng hình ảnh, chúng thường chỉ thu được một số lượng nhỏ tế bào.
Alipasha Vaziri, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Công nghệ thần kinh và Sinh lý học cho biết: “Điều này một phần là do các giới hạn chi phối các sự đánh đổi này chưa được khám phá hoặc thúc đẩy một cách có hệ thống và tích hợp”.
Hy vọng chấm dứt kỷ nguyên đánh đổi, Vaziri gần đây đã nỗ lực cải tiến một kỹ thuật gọi là kính hiển vi hai photon (2P). Nó liên quan đến việc ứng dụng tia laser làm cho các bit của mô não phát huỳnh quang, hoặc phát sáng; và đối với nhiều nhà nghiên cứu, 2P từ lâu đã trở thành tiêu chuẩn vàng để thăm dò hoạt động của tế bào trong não.
Tuy nhiên, kỹ thuật này có những hạn chế. Kính hiển vi 2P tiêu chuẩn yêu cầu quét từng điểm của một khu vực nhất định, dẫn đến hình ảnh chậm. Để giải quyết vấn đề này, Vaziri và các đồng nghiệp đã thực hiện một chiến lược mới cho phép ghi song song từ nhiều vùng não song song, đồng thời kiểm soát cẩn thận kích thước và hình dạng của từng vị trí được ghi.
Một điểm yếu khác của 2P truyền thống là nó chỉ đo bề mặt, hoặc vỏ não, bỏ qua các cấu trúc chôn sâu trong cơ quan, chẳng hạn như hải mã, có liên quan đến việc lưu trữ ký ức.
“Một trong những thách thức lớn nhất trong khoa học thần kinh là phát triển các kỹ thuật hình ảnh đo lường hoạt động của các vùng não sâu trong khi duy trì độ phân giải cao”, Vaziri nói.
Nhận thách thức này, anh quyết định sử dụng một công nghệ mới hơn: kính hiển vi ba -photon (3P). Trong khi 2P không vươn ra khỏi bề mặt hoặc vỏ não của não chuột, 3P sẽ thâm nhập vào các vùng sâu hơn. Được gọi là kính hiển vi ánh sáng ghép đa pha, hay HyMS, cải tiến mới nhất của Vaziri áp dụng đồng thời 2P và 3P, cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra một bức tranh về hoạt động tế bào nhanh chóng trên nhiều lớp mô não.
Ngoài chiến lược laser lai, HyMS còn tích hợp những tiến bộ kỹ thuật và khái niệm gần đây trong lĩnh vực này – một cách tiếp cận hiệp đồng mà Vaziri nói, đã hướng dẫn sự phát triển của công nghệ. Mục tiêu, ông nói, là để tối đa hóa lượng thông tin sinh học có thể thu được thông qua kính hiển vi kích thích đa photon trong khi giảm thiểu nhiệt lượng được tạo ra bằng phương pháp này. Và khi thử nghiệm hệ thống mới của họ, các nhà khoa học chắc chắn đã thu được rất nhiều thông tin.
HyMS tự hào có tốc độ khung hình cao nhất của các kỹ thuật 3P có sẵn, điều đó có nghĩa là nó có thể nắm bắt các thay đổi sinh học ở tốc độ kỷ lục. Và trong khi các kỹ thuật trước đó chỉ quét một mặt phẳng mô, công nghệ này có thể lấy thông tin từ toàn bộ mẫu mô và cho phép người dùng ghi lại từ 12.000 tế bào thần kinh cùng một lúc. Một ưu điểm khác của HyMS là khả năng đo lường đồng thời hoạt động từ các vùng não ở các độ sâu khác nhau. Vì các lớp khác nhau của não liên tục trao đổi tín hiệu, Vaziri nói, theo dõi sự tương tác giữa các vùng này là chìa khóa để hiểu cách thức hoạt động của các cơ quan.
“Trước đây, mọi người thậm chí không thể nhìn vào hoạt động của các tế bào thần kinh trên toàn bộ chiều sâu của vỏ não, có nhiều lớp, tất cả cùng một lúc,” ông nói. “Với công nghệ này, bạn thực sự có thể thấy luồng thông tin trông như thế nào trong vỏ não và giữa các cấu trúc vỏ não và vỏ não.”
Ngoài việc thăm dò độ sâu mới, HyMS cho phép các nhà nghiên cứu ghi lại hoạt động của não từ động vật khi chúng tích cực tham gia vào môi trường của chúng. Trong một thí nghiệm gần đây, chẳng hạn, các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ này để ghi lại tín hiệu từ hàng ngàn tế bào thần kinh chuột khi một con vật đi trên máy chạy bộ hoặc nghe âm thanh. Việc họ có thể thu được các bản ghi tốt cho thấy kỹ thuật này có thể được sử dụng để theo dõi các quần thể tế bào lớn khi động vật thực hiện các nhiệm vụ khác nhau – một ứng dụng có thể giúp làm sáng tỏ các cơ chế thần kinh làm cơ sở cho các khía cạnh khác nhau của hành vi và nhận thức.
Hơn nữa, Vaziri nói, các kỹ thuật như HyMS sẽ rất quan trọng đối với các nhà nghiên cứu hy vọng hiểu rõ hơn về cách bộ não xử lý thông tin. Các tế bào thần kinh trong não được liên kết dày đặc và thông tin thường được thể hiện không phải bởi các tế bào riêng lẻ, mà bởi các trạng thái của mạng.
“Để hiểu được tính năng động của một mạng”, ông nói, “bạn cần có được các phép đo chính xác các phần lớn của não ở cấp độ nơ-ron đơn lẻ. Đó là những gì chúng tôi đã làm ở đây.”
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Rockefeller . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :