Инструменты, позволяющие неврологам записывать и количественно оценивать функциональную активность живого мозга, пользуются большим спросом. Исследователи давно уже используют для этого функциональную магнитно-резонансную томографию, но этот метод не может записывать нейронную активность с высоким пространственным разрешением или в движущихся объектах. В последние годы технология, называемая оптогенетикой, показала значительные успехи в записи нейронной активности у животных в реальном времени. Оптогенетические инструменты используют свет для управления нейронами и регистрации сигналов в тканях, которые генетически модифицированы для экспрессии светочувствительных и флуоресцентных белков. Тем не менее, существующие технологии визуализации с помощью получения световых сигналов от мозга имеют недостатки в масштабе, а также скорости и контрастности визуализации, которые ограничивают возможности их применения в экспериментальной нейронауке.
Технология под названием флуоресцентная плоскостная (light-sheet fluorescence) визуализация демонстрирует перспективную возможность трёхмерной записи активности мозга с высокой скоростью и контрастностью. В этой технике тонкий «лист» лазерного излучения (световой лист, т.е. лазерный луч, сфокусированный таким образом, что выглядит в сечении скорее плоским, чем круглым; например, с помощью цилиндрической линзы) направляется в интересующую исследователя область мозговой ткани, а флуоресцентные излучатели активности в тканях головного мозга реагируют, отправляя флуоресцентные сигналы, которые могут быть видимы в микроскопе. Сканирование светового листа в ткани позволяет получить высокоскоростную, высококонтрастную, объёмную визуализацию активности мозга.
В настоящее время использование флуоресцентной визуализации активности головного мозга в непрозрачных организмах (например, у мышей) затруднено из-за размера необходимого аппарата. Чтобы эксперименты с непрозрачными животными и, в будущем, свободно двигающимися животными, стали возможными, исследователям сначала нужно будет миниатюризировать многие компоненты.
В первую очередь требует миниатюризации сам генератор световых листов, который хорошо бы встроить непосредственно в мозг, для чего он должен быть как можно меньше, чтобы избежать вытеснения слишком большого количества мозговой ткани. В новом исследовании международная команда учёных из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology), Университета Торонто (University of Toronto), Университетской сети здравоохранения Канады (University Health Network), немецкого Института физики микроструктуры общества Макса Планка (Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik) и сингапурской компании Advanced Micro Foundry разработали миниатюрный генератор световых листов, или световой нейронный зонд, который может быть имплантирован в мозг живого животного.
Исследователи использовали нанофотонную технологию для создания ультратонких световых нейронных зондов на основе кремния, которые излучают несколько тонких листов света толщиной менее шестнадцати микрометров, распространяющихся в свободном пространстве на 300 микрометров. При тестировании в тканях головного мозга мышей, которые были генетически модифицированы для экспрессии флуоресцентных белков в их мозге, зонды позволяли исследователям получать изображения областей размером до 240 мкм × 490 мкм. Кроме того, уровень контрастности изображения был выше, чем при использовании альтернативного метода визуализации, называемого эпифлуоресцентной микроскопией.
Авторы работы уверены, что новые имплантируемые сетовые зонды позволит обойти многие ограничения и приведут к прорыву в экспериментальной нейрофизиологии, сделав возможной глубокую, точную и быструю визуализацию процессов в мозге свободно движущихся непрозрачных животных.