Le microscope à fluorescence à deux photons donne un aperçu de l'avenir

Le microscope à fluorescence à deux photons rapproche l'humanité de la capacité d'interagir avec son environnement en utilisant uniquement la pensée.

La surveillance de l'activité cérébrale est un élément essentiel des neurosciences depuis l'émergence de cette capacité. Le cerveau humain est moins bien compris que l’univers et les océans. En tant que tel, un effort considérable est déployé pour percer les mystères qui se cachent dans votre esprit. Désormais, les chercheurs peuvent approfondir l’activité mentale en temps réel grâce à une méthode révolutionnaire de microscope à fluorescence à deux photons. Voici ce que vous devez savoir.

Comprendre l'activité cérébrale est crucial pour de nombreuses industries, notamment pour le traitement de maladies neurologiques comme la maladie d'Alzheimer. Les scientifiques ont déployé des efforts considérables pour comprendre comment les neurones communiquent et interagissent pendant la pensée. L'objectif de cette recherche est de comprendre pleinement les interactions neuronales complexes jusqu'à la résolution cellulaire.

Les chercheurs espèrent utiliser ces données pour faire la lumière sur les fonctions cérébrales fondamentales qui pourraient un jour conduire à une amélioration de l’apprentissage, de la mémoire, de la prise de décision et des soins de santé. Pour accomplir cette tâche, ils ont créé un outil avancé d’imagerie à deux photons capable de suivre les processus neuronaux dynamiques en temps réel, permettant ainsi une compréhension plus approfondie du cerveau pendant l’apprentissage, les activités et les états pathologiques.

Méthodes actuelles d'enregistrement de l'activité cérébrale

Il existe aujourd’hui plusieurs méthodes d’enregistrement de l’activité cérébrale. Ces approches ont aidé l’industrie à se développer jusqu’à ce jour. Cependant, ils présentent certains inconvénients importants, notamment le fait qu'ils prennent plus de temps pour surveiller l'activité, peuvent être nocifs pour le patient et sont d'un coût prohibitif. Les deux méthodes les plus couramment utilisées aujourd’hui sont l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et l’électroencéphalographie (EEG).

Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle est l’une des méthodes les plus avancées utilisées aujourd’hui pour surveiller les ondes cérébrales. Cette procédure non invasive intègre des champs magnétiques et des ondes radio pour créer une image 3D des impulsions électromagnétiques de votre cerveau. Cette stratégie a marqué une amélioration majeure par rapport aux options précédentes, car elle a permis aux chercheurs de zoomer sur un ensemble particulier de neurones, améliorant ainsi considérablement leur compréhension globale de l'activité cérébrale.

Électroencéphalographie (EEG)

Une autre méthode que vous avez peut-être vue dans les films est l’électroencéphalographie. Cette approche mesure l'activité électrique de votre cerveau. Les patients doivent placer des capteurs spéciaux sur leur cuir chevelu, sensibles aux courants électriques. Cette méthode de suivi des ondes cérébrales est utilisée depuis 1975, lorsque Richard Caton l'a utilisée pour la première fois pour suivre avec succès les impulsions électriques trouvées dans le cerveau des lapins et des singes.

Depuis, cette méthode d’enregistrement de l’activité cérébrale s’est considérablement améliorée. Dans les années 1950, la première itération moderne de l’EEG a été introduite. Il a fidèlement servi de méthode principale pour suivre les ondes cérébrales jusque dans les années 1980. En 1988, il était utilisé pour permettre à une personne de contrôler un robot et est encore utilisé par de nombreux chercheurs.

Étude

L'étude « Microscopie à deux photons à grande vitesse avec excitation de ligne adaptative » a été publiée dans Optica, révélant comment la microscopie à deux photons peut fournir des images à grande vitesse inégalées de l'activité neuronale. Ces photos ont été prises à une résolution cellulaire à l’aide d’un microscope à fluorescence à deux photons spécialement conçu.

Microscope à fluorescence à deux photons

Le microscope à fluorescence à deux photons est capable de fournir des images vibrantes en profondeur dans les tissus cérébraux. Pour accomplir cette tâche, le mécanisme introduit une structure d'échantillonnage adaptative. Cette structure serait répétée tout au long de l'expérience pour créer des images 3D dynamiques et des cartes de l'activité cérébrale.

Stratégie d'échantillonnage adaptative

Au cœur de l'étude se trouve l'introduction de la stratégie d'échantillonnage adaptatif. Cette méthode remplace les techniques traditionnelles d’éclairage ponctuel. Au lieu de cela, une stratégie d'éclairage de ligne plus efficace est utilisée parallèlement à une méthode de numérisation de points mise à jour qui fournit beaucoup plus de détails et de capacités de surveillance par rapport aux méthodes précédentes.

Balayage de points

La numérisation de points avec les anciennes méthodes laissait beaucoup à désirer. D’une part, c’était extrêmement spécifique, ce qui conduisait souvent à l’incapacité de suivre une séquence neuronale entière dans le cerveau. La nouvelle méthode de balayage de points utilise une stratégie d'éclairage de ligne modifiée pour imiter les méthodes de balayage de points à haute résolution. Cette stratégie est cruciale pour identifier les zones du cerveau qui doivent passer à l’étape suivante du processus, le balayage linéaire.

Éclairage de ligne

라인 조명은 신경학 엔지니어를 위한 획기적인 기술입니다. 이 방법은 샘플링된 영역 전체에 작은 빛의 선을 투사합니다. 이 접근 방식은 형광을 자극하여 처음부터 끝까지 뇌 전체의 신경 신호를 더 쉽게 추적할 수 있게 해줍니다. 또한 이 접근 방식을 통해 뇌의 훨씬 더 넓은 영역을 실시간으로 자극하고, 스캔하고, 매핑할 수 있습니다.

이광자 현미경 테스트

2광자 형광 현미경의 테스트 단계에는 두 마리의 실험용 쥐가 참여했으며, 연구자들은 쥐 피질의 신경 활동을 실시간으로 추적할 수 있었습니다. 특히 이 장치는 현재 최대 198Hz의 이미지 신호를 캡처할 수 있습니다. 이 테스트에서 엔지니어들은 최근 신경 활동을 알릴 수 있는 칼슘 신호를 추적했습니다.

DMD(디지털 마이크로미러 장치)

이 작업을 수행하기 위해 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 사용하여 특별히 구성된 레이저 빔 패턴이 형성됩니다. 이 장치에는 수천 개의 미세한 거울이 포함되어 있습니다. 각각의 거울에는 뇌의 정확한 부분에 빛을 형성하고 목표로 삼을 수 있는 개별 제어 기능이 있습니다. 또한 거울을 활성화하도록 설정할 수도 있습니다

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