Polscy fizycy i neurobiolodzy połączyli siły, żeby wspólnie opracować miniaturowy, biokompatybilny system obrazowania, oparty na mikrosoczewkach światłowodowych, który będzie można wprowadzić do głębszych struktur mózgu zwierząt doświadczalnych, np. ciała migdałowatego. Dzięki temu możliwe stanie się monitorowanie w czasie rzeczywistym aktywności neuronów, leżących głęboko w mózgu, u poruszających się swobodnie zwierząt. System taki pozwoli na całkiem nowy wgląd w funkcjonowanie mózgu, a w konsekwencji na lepsze poznanie i zrozumienie np. mechanizmów leżących u podłoża uzależnień.
Mózg to najbardziej skomplikowany twór przyrody, jaki znamy. Poznanie jego funkcji, zwłaszcza w zakresie emocji i kontroli naszych zachowań, stanowi jedno z największych wyzwań stojących przed nauką. ?Wiemy, że swoistym centrum motywacyjno-emocjonalnym w mózgu jest struktura nazywana jądrem odśrodkowym ciała migdałowatego. To ośrodek odpowiadający za pamięć zdarzeń o różnym zabarwieniu emocjonalnym. Pamięć zdarzeń przyjemnych nazywamy pamięcią apetytywną, natomiast pamięć zdarzeń nieprzyjemnych ?pamięcią awersyjną. Od tych dwóch rodzajów pamięci zależy to, czy jakichś bodźców unikamy, czy ich pożądamy. Pamięć apetytywną i związane z nią mechanizmy sterujące zachowaniami, mającymi na celu podążanie za bodźcami przyjemnymi, są niezwykle istotne w powstawaniu uzależnień i naszym celem jest bliższe poznanie tych procesów. Przeszkodą jest jednak fakt, że ciało migdałowate leży dosyć głęboko w mózgu. U myszy, które są naszymi zwierzętami doświadczalnymi, znajduje się ono na głębokości 5-6 mm od powierzchni mózgu, podczas gdy dotychczasowe techniki obrazowania neuronów w czasie rzeczywistym pozwalają na obserwację obszarów położonych znacznie płycej, takich jak np. kora mózgowa? ? mówi prof. Leszek Kaczmarek z Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego PAN w Warszawie.
Unikatowa cieniutka soczewka
Aby pokonać tę barierę, neurobiolodzy kierowani przez prof. Leszka Kaczmarka zamierzają podjąć współpracę, w ramach programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, z dwoma zespołami naukowymi fizyków: grupą prof. Ryszarda Buczyńskiego z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME w Warszawie) oraz grupą dra Radka Łapkiewicza z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Zadaniem pierwszego z zespołów fizyków będzie zaprojektowanie systemu do obrazowania mózgu myszy złożonego z malutkiego mikroskopu umieszczanego na czaszce zwierzęcia, połączonego cienkim światłowodem z biokompatybilną mikroskopijną soczewką, którą można wprowadzać aż do ciała migdałowatego, oraz z superczułej kamery do rejestrowania uzyskiwanych obrazów. Kluczowe dla powodzenia całego przedsięwzięcia będzie stworzenie mikrosoczewki o grubości zaledwie 0,1 mm. Jej dodatkową zaletą będzie otwór w środku, przez który naukowcy zamierzają przeprowadzić elektrodę i w ten sposób uzyskać możliwość równoczesnego obrazowania optycznego i elektrycznego neuronów. Rolą grupy dr. Radka Łapkiewicza będzie natomiast połączenie mikroskopu z kamerą wyposażoną w specjalnie stworzony algorytm. System ten pozwoli na zebranie obrazów z mikroskopu, ich obróbkę (np. eliminację szumów) oraz interpretację.
Kwantowa super-rozdzielczość
Udział w przedsięwzięciu zespołu dra Radka Łapkiewicza, laureata programu FIRST TEAM FNP, nie jest przypadkowy. To naukowcy, którzy wraz z zespołem izraelskich naukowców z Instytutu Weizmanna, kierowanym przez prof. Yarona Silberberga i prof. Dana Orona, opracowali nową metodę ? Quantum Image Scanning Microscopy (Q-ISM), pozwalającą na wyraźne zobaczenie elementów biologicznych mniejszych niż jeden mikrometr. Metoda ta łączy zalety dwóch znanych już wcześniej technik mikroskopii: Image Scanning Microscopy (ISM) i mikroskopii korelacji kwantowych. Dzięki takiemu połączeniu naukowcy otrzymali prawdopodobnie pierwsze super-rozdzielcze kwantowe obrazy próbek biologicznych. Dokładny opis metody można znaleźć w pracy opublikowanej na początku tego roku (2019) w ?Nature Photonics?.
Na czym polega nowatorstwo techniki Q-ISM? Rozdzielczość klasycznego mikroskopu jest ograniczona: obiekty będące bliżej niż połowa długości fali światła (około 250 nm dla światła zielonego) przestają być rozróżnialne. Jednym ze sposobów na pokonanie tej bariery jest umiejętne zastosowanie znaczników fluorescencyjnych, dlatego badania na rzecz rozwoju mikroskopii fluorescencyjnej zostały już dwukrotnie uhonorowane Nagrodą Nobla ? w 2008 i 2014 roku. Metody poprawy rozdzielczości nie ograniczają się jednak do umiejętnego wykorzystania fluoroforów. Jedną z takich metod, niezależną od wyboru znaczników, jest mikroskopia konfokalna. Chociaż w jej przypadku poprawa rozdzielczości jest dużo mniej spektakularna, to dzięki swojej prostocie metoda jest na tyle uniwersalna, że od wielu lat jest standardowym narzędziem biologii doświadczalnej.
?Mikroskop konfokalny można zmodyfikować, zastępując pojedynczy detektor wieloma detektorami małych rozmiarów. Dzięki temu uzyskuje się wiele przesuniętych względem siebie obrazów o wyższej rozdzielczości, które następnie nakłada się na siebie. Ta metoda, nazwana Image Scanning Microscopy (ISM) pozwala uzyskać obraz o wyższej rozdzielczości, bez zbędnej utraty sygnału, w przeciwieństwie do mikroskopu konfokalnego, w którym poprawa rozdzielczości jest uzyskiwana kosztem poziomu sygnału? ? tłumaczy dr Radek Łapkiewicz.
Podstawą mikroskopii korelacji kwantowych jest natomiast fakt, że każdy ze znaczników fluorescencyjnych, wzbudzony krótkim błyskiem światła, może wyemitować tylko jeden foton, co prowadzi do tzw. antygrupowania fotonów. ?Mikroskopia korelacji kwantowych polega na wykrywaniu fotonów brakujących względem klasycznego światła w danym punkcie. Informacje uzyskane za pomocą tej metody są komplementarne wobec informacji otrzymywanych w technice ISM. Jeśli nałożymy na siebie i połączymy oba te typy danych, uzyskamy obraz Q-ISM o rozdzielczości i jakości niemożliwych do otrzymania za pomocą każdej z tych technik z osobna? ? podkreśla Alexander Krupiński-Ptaszek, stypendysta w projekcie FIRST TEAM, pracujący wraz z dr. Radkiem Łapkiewiczem w Laboratorium Optyki Kwantowej na Wydziale Fizyki UW.
Zdjęcie: Pixabay