Un nuovo microscopio infrange un limite di velocità di vecchia data, registrando filmati dell'attività cerebrale 15 volte più velocemente di quanto gli scienziati ritenessero possibile una volta. Raccoglie dati abbastanza rapidamente da registrare i picchi di tensione dei neuroni e il rilascio di messaggeri chimici su vaste aree, monitorare centinaia di sinapsi contemporaneamente, un passo da gigante per la potente tecnica di imaging chiamata microscopia a due fotoni.

Il trucco non sta nel piegare le leggi della fisica, ma nell'usare la conoscenza di un campione per comprimere le stesse informazioni in un minor numero di misurazioni. Gli scienziati del Janelia Research Campus dell'Howard Hughes Medical Institute hanno utilizzato il nuovo microscopio per osservare i modelli di rilascio del neurotrasmettitore sui neuroni di topo, riferiscono il 29 luglio in Metodi della natura . Fino ad ora, è stato impossibile catturare questi modelli in scala temporale di millisecondi nel cervello degli animali viventi.

Gli scienziati utilizzano l'imaging a due fotoni per scrutare all'interno di campioni opachi, come cervelli viventi, che sono impenetrabili con la normale microscopia ottica. Questi microscopi utilizzano un laser per eccitare molecole fluorescenti e quindi misurare la luce emessa. Nella classica microscopia a due fotoni, ogni misurazione richiede pochi nanosecondi; realizzare un video richiede misurazioni per ogni pixel dell'immagine in ogni fotogramma.

Quella, in teoria, limita la velocità con cui si può catturare un'immagine, afferma l'autore principale dello studio Kaspar Podgorski, un collega a Janelia. "Penseresti che sarebbe un limite fondamentale -¬ il numero di pixel moltiplicato per il tempo minimo per pixel, " dice. "Ma abbiamo infranto questo limite comprimendo le misurazioni." In precedenza, quel tipo di velocità poteva essere raggiunto solo su piccole aree.

Il nuovo strumento:microscopia a proiezione angolare a linea scansionata, o SLAP:rende più efficiente la parte di raccolta dei dati che richiede tempo in alcuni modi. Comprime più pixel in un'unica misurazione e scansiona solo i pixel nelle aree di interesse, grazie a un dispositivo in grado di controllare quali parti dell'immagine vengono illuminate. Un'immagine ad alta risoluzione del campione, catturato prima che inizi l'imaging a due fotoni, guida l'ambito e consente agli scienziati di decomprimere i dati per creare video dettagliati.

Proprio come uno scanner CT, che costruisce un'immagine scansionando un paziente da diverse angolazioni, SLAP spazza un raggio di luce attraverso un campione lungo quattro piani diversi. Invece di registrare ogni pixel nel percorso del raggio come un singolo punto dati, l'oscilloscopio comprime i punti in quella linea insieme in un numero. Quindi, i programmi per computer decodificano le linee di pixel per ottenere dati per ogni punto del campione, un po' come risolvere un gigantesco puzzle di Sudoku.

Nel tempo impiegato da SLAP per scansionare l'intero campione, un cannocchiale tradizionale, pixel per pixel, coprirebbe solo una piccola frazione di un'immagine. Questa velocità ha permesso al team di Podgorski di osservare in dettaglio come il glutammato, un importante neurotrasmettitore, viene rilasciato su diverse parti dei neuroni del topo. Nella corteccia visiva del topo, Per esempio, hanno identificato regioni sui dendriti dei neuroni in cui molte sinapsi sembrano essere attive contemporaneamente. E hanno monitorato i modelli di attività neurale che migravano attraverso la corteccia del topo mentre un oggetto si muoveva attraverso il suo campo visivo.

L'obiettivo finale di Podgorski è l'immagine di tutti i segnali che arrivano in un singolo neurone, capire come i neuroni trasformano i segnali in entrata in segnali in uscita. Questo ambito attuale è "solo un passo lungo la strada, ma stiamo già costruendo una seconda generazione. Una volta che lo avremo, non saremo più limitati dal microscopio, " lui dice.

La sua squadra sta aggiornando gli scanner dell'oscilloscopio per aumentarne la velocità. Stanno anche cercando modi per tracciare altri neurotrasmettitori in modo da poter attingere completamente alla sinfonia della comunicazione neurale.