Taşınabilir bir mikroskop, hareket sırasında farelerin beyin aktivitesini kaydeder

Bir fare çevresini keşfettikçe beyindeki milyonlarca nöron senkronize bir şekilde ateşlenir. Aynı anda yalnızca küçük bir alt bölümü incelemek, ağaçlar için ormanı gözden kaçırmanıza neden olabilir, ancak fare beyninin tamamını aynı anda yakalayabilen güçlü mikroskoplar, hareket eden bir fareye monte edilemeyecek kadar ağırdır.

Şimdi, Doğa Biyomedikal Mühendisliği’nde yapılan yeni bir çalışma, bu soruna yenilikçi bir çözüm sunuyor: yalnızca bir ABD kuruşuna eşdeğer ağırlığa sahip, ancak benzeri görülmemiş bir çözünürlükle beyin aktivitesinin geniş alanlarını yakalayabilen bir mikroskop. Çalışmayı yöneten Rockefeller’dan Alibasha Vaziri, “Farelerin sosyal etkileşimler ve av yakalama gibi doğal davranışlarda bulunurken beyni izleme yeteneği, beyinde dağıtılan sinirsel aktivitenin doğal davranışlarla nasıl bağlantılı olduğuna dair anlayışımızı geliştirecek” diyor. .

Mikroskop fare büyüklüğündedir

Daha büyük memeliler standart başa takılan mikroskopları barındırabilir ve hatta fareler bile yaklaşık 20 gram veya sekiz ABD peni ağırlığındaki teknolojiyi destekleyebilir. Ancak beynin işleyişini anlamak için model organizma olan fareler çok daha küçüktür. Sığacak şekilde tasarlanan mikroskopların ağırlığı üç gramdan az olmalıdır.

“Son yıllarda fareler için başa takılan mikroskoplarda bir patlama gördük, ancak bunlar genellikle hücresel çözünürlükte yalnızca birkaç yüz mikrometrelik görüntüleme alanlarını destekliyor, çünkü daha büyük görüş alanları için gereken tasarım karmaşıklığı, sürdürülemez bir görüntü kirliliğini de beraberinde getiriyor. Waziri, “Ağırlık sorunu” diyor. Fareler tarafından taşınabilecek kadar hafif olan mevcut modeller, dürbünün görüş alanını, çözünürlüğünü ve derinlik aralığını (veya bunların bir kombinasyonunu) her zaman olumsuz etkiler ve hareketten kaynaklanan yapay yapılara karşı hassastır.

Bu sınırlamanın üstesinden gelmeye yönelik önceki girişimler, halihazırda var olan herhangi bir teknolojiyi daha az ağırlıklandırmaya, örneğin metal parçaları plastikle değiştirmeye, bir yandan da ışığın gerekli olduğu mikroskopların (özellikle artan görüş alanlarını görüntüleyebilenlerin) temel optik tasarımını korumaya yönelikti. ağır. . Objektif ağırlığın büyük bir kısmını oluşturur. Waziri bu zorluğu “ilkeli yaklaşım” olarak adlandırdığı yaklaşımla ele aldı. Karmaşık mercek tabanlı sistemi daha hafif hale getirmeye çalışmak yerine, teknolojinin hedeflerinin gerçekte ne olduğunu açıkladı: numunenin 3B hacmindeki noktalar ile 2B yüzeyindeki noktalar arasındaki yüksek çözünürlüklü haritalama sorununu çözmek. kamera. Bunu aklında tutarak, görüntüyü korumak için lens tabanlı bir sisteme uyum sağlama ihtiyacının getirdiği kısıtlamayı hissetmeden, bu hedefleri karşılayan hafif bir sistem yaratmaya koyuldu.

Vaziri, “Herkes bu ağır, çok elementli lensleri kullanıyor ve onları daha hafif hale getirmeye çalışıyordu” diyor. “Mercekleri nasıl daha hafif hale getireceğimizi sormak yerine, tam tersi sorunu çözdük ve temelde merceksiz bir strateji geliştirerek ve kendimizi mercek tabanlı görüntü kompozisyonunun gereksiz kısıtlamalarından kurtararak sorunu çözdük.”

Yeni düşünce = yeni yaklaşım

Kırınımlı optik elemanları (DOE’ler) girin. Dalga cephesinin küresel eğriliğini oluşturmak için sürekli kavisli bir yüzeye sahip olan geleneksel lenslerin aksine, güneş lensleri, ışığı kırınım yoluyla manipüle etmek için mikro yapılar kullanır ve ışık dalgalarının hassas kontrolüne olanak tanır. Kompakt, hafif ve etkilidirler. Mikroskopide, geleneksel bir merceğin işlevi, uzaydaki noktaları görüntü düzlemindeki bir nesnenin (kamera sensörü gibi) üzerine eşleyerek oluşan görüntünün gerçek sahneye benzemesini sağlamaktır. Bununla birlikte, çözünürlüğü korurken giderek daha geniş görüş alanına sahip bir görüntü oluşturmaya çalışıldığında, tek bir merceğin neden olduğu hatalar (optik sapmalar) daha fazla mercek elemanı gerektirir ve bu da bileşik mercek tasarımına yol açar.

Vaziri laboratuvarı, DOE’leri kullanarak, bir görüntü oluşturmadan sahne ile sensörler arasındaki konumları kesin olarak haritalandırmanın ve ardından orijinal sahneyi yeniden oluşturmak için hesaplamalı yöntemler kullanmanın mümkün olduğunu gösterdi.

Ağırlaştıracak büyük bir bileşik mercek olmadan, minik mikroskop yalnızca 2,5 gram ağırlığındadır ve 4 µm yanal çözünürlük ve alan derinliği ile 3,6 x 3,6 mm²’lik bir görüş alanı boyunca fare beyninin geniş bölümlerini yakalayabilen görüntüleme sağlar 300 µm ve saniyede 16 ciltlik kayıt hızı. Parçalarının çoğu 3D olarak basılabilir veya ucuz tüketici cep telefonu kamera sensörlerinden faydalanılabilir. Waziri, “Laboratuvarlar ilgilenirse bu mikroskopları düşük maliyetle kolayca üretebilirler” diyor.

Mikroskopun gelecekteki versiyonları, kablosuz veri iletimini içerebilir – mevcut model, tek bir farenin yoluna girmeyecek ancak birbiriyle etkileşime giren birden fazla fareyi gözlemlerken kolayca karışabilecek kablolarla birlikte gelir – ve izin veren ince ayarlı teknoloji Korteksin daha derinlerinde bulunan beyin bölgelerinin izlenmesi için.

Waziri, “Sistem bazı fedakarlıklarla birlikte geliyor ve daha büyük mikroskoplar kadar yüksek performanslı değil” diyor. “Fakat bu büyük bir yenilik ve yalnızca soruna yeni bir bakış açısı getirerek ve kendini algılanan kısıtlamalardan kurtararak gerçekleşebilir.”