I ricercatori hanno sviluppato un endoscopio sottile come un capello umano in grado di visualizzare l'attività dei neuroni nel cervello dei topi viventi. Perché è così sottile, l'endoscopio può raggiungere in profondità il cervello, dando ai ricercatori l'accesso ad aree che non possono essere viste con microscopi o altri tipi di endoscopi.

"Oltre ad essere utilizzato negli studi sugli animali per aiutarci a capire come funziona il cervello, questo nuovo endoscopio potrebbe un giorno essere utile per determinate applicazioni nelle persone, " ha detto Shay Ohayon, che ha sviluppato il dispositivo come ricercatore post-dottorato nel laboratorio di James DiCarlo presso il Massachusetts Institute of Technology. "Potrebbe offrire un più piccolo, e quindi più confortevole, strumento per l'imaging all'interno della cavità nasale, Per esempio."

Il nuovo endoscopio si basa su una fibra ottica di soli 125 micron di spessore. Poiché il dispositivo è da cinque a dieci volte più sottile dei più piccoli microendoscopi disponibili in commercio, può essere spinto più in profondità nel tessuto cerebrale senza causare danni significativi.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica biomedica Express , i ricercatori riferiscono che l'endoscopio può catturare immagini di risoluzione su scala micron di neuroni che si attivano. Questa è la prima volta che l'imaging con un endoscopio così sottile è stato dimostrato in un animale vivente.

"Con un ulteriore sviluppo, il nuovo microendoscopio potrebbe essere utilizzato per visualizzare l'attività dei neuroni in parti del cervello precedentemente inaccessibili come la corteccia visiva di modelli animali di primati, " ha detto Ohayon. "Potrebbe anche essere usato per studiare come i neuroni di diverse regioni del cervello comunicano tra loro".

Acquisizione di immagini da una fibra

Il nuovo microendoscopio si basa su una fibra ottica multimodale, che può trasportare più fasci di luce contemporaneamente. Quando la luce entra nella fibra, può essere manipolato per generare un piccolo punto all'altra estremità, e può essere spostato in diverse posizioni sul tessuto senza spostare la fibra. La scansione del piccolo punto sul campione consente di eccitare le molecole fluorescenti utilizzate per etichettare l'attività dei neuroni. Mentre la fluorescenza di ogni punto torna indietro attraverso la fibra, si forma un'immagine dell'attività neuronale.

"Per ottenere una scansione abbastanza veloce da visualizzare l'attivazione dei neuroni, abbiamo utilizzato un componente ottico noto come dispositivo a specchio digitale (DMD) per spostare rapidamente il punto luminoso, " ha detto Ohayon. "Abbiamo sviluppato una tecnica che ci ha permesso di utilizzare il DMD per scansionare la luce a velocità fino a 20 kilohertz, che è abbastanza veloce da vedere la fluorescenza dai neuroni attivi".

Poiché le fibre multimodali utilizzate per la luce scramble dell'endoscopio, i ricercatori hanno applicato un metodo chiamato modellamento del fronte d'onda per convertire la luce criptata in immagini. Per la modellazione del fronte d'onda, hanno inviato vari modelli di luce attraverso la fibra a una telecamera all'altra estremità e hanno registrato esattamente come quella specifica fibra ha cambiato la luce che è passata attraverso. La fotocamera è stata quindi rimossa, e la fibra inserita nel cervello per l'imaging. Le informazioni ottenute in precedenza su come la fibra cambia la luce vengono quindi utilizzate per generare e scansionare un piccolo punto attraverso il campo visivo.

Immagini di neuroni viventi

Dopo aver eseguito con successo l'imaging delle cellule in coltura, i ricercatori hanno testato il loro microendoscopio su topi anestetizzati. Hanno inserito la fibra attraverso un minuscolo foro nel cranio di un topo e l'hanno calata lentamente nel cervello. Per visualizzare i neuroni che si attivano, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata imaging del calcio che crea fluorescenza in risposta all'afflusso di calcio che si verifica quando un neurone si attiva.

"Uno dei vantaggi dell'utilizzo di un endoscopio così sottile è che quando lo si abbassa nel cervello, puoi vedere tutti i vasi sanguigni e navigare nella fibra per evitare di colpirli, " disse Ohayon.

Oltre a mostrare che il loro endoscopio potrebbe catturare un'attività neuronale dettagliata, i ricercatori hanno anche dimostrato che più colori di luce potrebbero essere utilizzati per l'imaging. Questa capacità potrebbe essere utilizzata per osservare le interazioni tra due gruppi di neuroni, ciascuno etichettato con un colore diverso, Per esempio.

Per l'imaging standard, l'endoscopio visualizza i neuroni all'estremità della fibra. Però, i ricercatori hanno anche dimostrato che il microendoscopio potrebbe visualizzare fino a circa 100 micron di distanza dalla punta. "Questo è molto utile perché quando la fibra viene inserita nel cervello, può influenzare la funzione dei neuroni molto vicini alla fibra, " ha spiegato Ohayon. "Imaging di un'area leggermente distante dalla fibra rende più facile catturare neuroni sani".

Affrontare le pieghe nella fibra

Una limitazione del microendoscopio è che qualsiasi piegatura della fibra fa perdere la capacità di produrre immagini. Sebbene ciò non abbia influito sugli esperimenti descritti nell'articolo perché la fibra è stata mantenuta dritta mentre veniva spinta nel cervello, risolvere il problema della piegatura potrebbe ampliare notevolmente le applicazioni del dispositivo. Vari gruppi di ricerca stanno lavorando su nuovi tipi di fibre meno suscettibili alla flessione e su metodi computazionali che potrebbero compensare la flessione in tempo reale.

"Se questo problema di piegatura può essere risolto, probabilmente cambierà il modo in cui viene eseguita l'endoscopia nelle persone consentendo l'uso di sonde molto più sottili, " ha detto Ohayon. "Ciò consentirebbe un imaging più confortevole rispetto ai grandi endoscopi di oggi e potrebbe consentire l'imaging in parti del corpo che attualmente non sono realizzabili".