Μετά από χρόνια ανάπτυξης, οι ερευνητές κατάφεραν να συρρικνώσουν τη μικροσκοπία δύο φωτονίων σε μια συσκευή που μπορεί να τοποθετηθεί στο κεφάλι τρωκτικών χωρίς να παρεμποδίζει τη συμπεριφορά τους.
Καθώς ο Weijian Zong κοιτούσε ένα εκθαμβωτικό πλέγμα πράσινων και μπλε εγκεφαλικών κυττάρων κάτω από το μικροσκόπιο που είχε κατασκευάσει, ένιωσε -για μια στιγμή “ασταμάτητος”. "Ένιωσα ότι αν μπορέσουμε να κάνουμε αυτό το μικροσκόπιο να λειτουργήσει, μπορούμε να κάνουμε ό,τι θέλουμε", λέει. Η στιγμή, τον περασμένο Μάρτιο, επέβαλε μια αυτοσχέδια εργαστηριακή συνάντηση και μια γιορτή. Ο Zong, μηχανικός οπτικής στο Ινστιτούτο Kavli για τη Νευροεπιστήμη των Συστημάτων στο Trondheim της Νορβηγίας, φόρεσε λευκό πουκάμισο και γραβάτα πριν δείξει τα τελευταία του δεδομένα στους συναδέλφους του. Ήταν, λέει, η στιγμή που το "παιχνίδι του έγινε εργαλείο".
Το «παιχνίδι», σε αυτή την περίπτωση, είναι ένα μικροσκόπιο φθορισμού δύο φωτονίων σε μέγεθος αντίχειρα. Μπορεί να φωτίσει και να καταγράψει ζωντανούς ιστούς σε βάθος που είναι ανέφικτο με τα συμβατικά μικροσκόπια φθορισμού. Με βάρος μόλις 2,4 γραμμάρια, το Mini2P μπορεί να συνδεθεί στο κεφάλι ενός ποντικιού και να παρακολουθεί τη δραστηριότητα εκατοντάδων, ακόμη και χιλιάδων, νευρώνων ενώ το ζώο τρέχει, σκαρφαλώνει και πηδάει από μια πλατφόρμα. Ο Zong και οι συνάδελφοί του δοκίμασαν τη συσκευή στα κέντρα όρασης, μνήμης και πλοήγησης του εγκεφάλου ποντικού, εξετάζοντας κύτταρα μέχρι και μισό χιλιοστό του μέτρου. Με έναν ειδικά κατασκευασμένο φακό που μπορεί να παρακολουθεί τα ίδια κύτταρα συνεχώς για έως και μία ώρα, ή πολλαπλές φορές για εβδομάδες, το όργανο παράγει πολύ πιο ευκρινείς εικόνες και μπορεί να καταγράψει παρόμοιο αριθμό κυττάρων, αν όχι περισσότερο, από ό,τι τα "μινισκόπια" ενός φωτονίου που τοποθετούνται στο κεφάλι, τα οποία αποτελούν την τρέχουσα τεχνολογία για την in vivo απεικόνιση σε ζώα που κινούνται ελεύθερα.
Σύμφωνα με τον Fritjof Helmchen, έναν φυσικό νευροεπιστήμονα στο Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης στην Ελβετία, το Mini2P επιτυγχάνει "σχεδόν εξίσου καλή" ανάλυση με ένα ογκώδες σύστημα δύο φωτονίων πάγκου. Είναι επίσης ανοικτού κώδικα, με λίστες εξαρτημάτων και εκπαιδευτικά βίντεο διαθέσιμα στο GitHub. Τον Δεκέμβριο, 16 ερευνητές θα πληρώσουν ο καθένας περίπου 5. 500 ευρώ (5. 370 δολάρια ΗΠΑ, το οποίο περιλαμβάνει το κόστος των εξαρτημάτων) για να κατασκευάσουν τα δικά τους μινισκόπια δύο φωτονίων σε ένα τριήμερο workshop που διοργανώνει το Ινστιτούτο Kavli στο Trondheim.
Το Mini2P για το οποίο ο Zong τιμήθηκε φέτος με το βραβείο Tycho Jæger από τη Φυσική Εταιρεία της Νορβηγίας και το Ίδρυμα Irma Salo Jæger και Tycho Jægers - "ανοίγει την πόρτα σε κατευθύνσεις επιστημονικής έρευνας που ήταν δύσκολο, αν όχι αδύνατο, να ξεκινήσουν", λέει η Denise Cai, νευροεπιστήμονας στη Σχολή Ιατρικής Icahn στο Mount Sinai της Νέας Υόρκης. Και είναι μια εξέλιξη που προετοιμάζεται εδώ και χρόνια.
Η μικροσκοπία φθορισμού βασίζεται σε μια απλή αρχή: όταν τα μόρια απορροφούν ενέργεια, «διεγείρονται ηλεκτρονικά» καθώς τα μόρια "χαλαρώνουν", απελευθερώνουν φως. Τα περισσότερα μικροσκόπια είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε ένα μόνο φωτόνιο φωτεινής ενέργειας να αρκεί για να προκαλέσει αυτή την αντίδραση. Αυτό όμως μπορεί να είναι προβληματικό σε πυκνούς ιστούς: καθώς το φως περνά μέσα από τα κυτταρικά στρώματα, απορροφάται και διασκορπίζεται. Τα μικροσκόπια δύο φωτονίων παρακάμπτουν αυτό το πρόβλημα με τη χρήση πολλαπλών φωτονίων μεγαλύτερου μήκους κύματος, τα οποία μπορούν να διεισδύσουν βαθύτερα στον ιστό (χρειάζονται δύο φωτόνια επειδή ένα μόνο φωτόνιο μεγαλύτερου μήκους κύματος δεν έχει αρκετή ενέργεια για να διεγείρει το μόριο). Όμως τα συστήματα δύο φωτονίων είναι ογκώδη και απαιτούν εξειδικευμένες πηγές φωτός και φακούς. Οι ερευνητές εργάστηκαν για περισσότερες από δύο δεκαετίες για να συρρικνώσουν την τεχνολογία σε ένα όργανο που είναι αρκετά ελαφρύ και συμπαγές για χρήση σε ζώα που συμπεριφέρονται ελεύθερα.
Ο Helmchen ήταν ένας πρώιμος πρωτοπόρος. Ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στην τότε γνωστή ως Bell Labs Innovations, μια εταιρεία έρευνας και ανάπτυξης στο Murray Hill του New Jersey, ο Helmchen και οι συνάδελφοί του κατασκεύασαν το πρώτο φορητό μικροσκόπιο δύο φωτονίων. Το 2001, ανέφεραν την απόδειξη της αρχικής τους συσκευής ένα υπερταχύ παλμικό λέιζερ συνδεδεμένο με ένα εύκαμπτο σχοινί μήκους 2 μέτρων με ένα μικροσκόπιο 25 γραμμαρίων που μπορούσε να τοποθετηθεί στο κεφάλι ενός αρουραίου.
Ο σχεδιασμός ήταν ο πρώτος που κατέδειξε ότι ένα φορητό μικροσκόπιο δύο φωτονίων μπορούσε να καταγράψει σήματα ασβεστίου (οπτικός δείκτης νευρικής δραστηριότητας) από τις διακλαδισμένες προβολές, γνωστές ως δενδρίτες, μεμονωμένων νευρώνων αλλά μόνο σε αναισθητοποιημένους αρουραίους με περιορισμένο κεφάλι. Η διαδικασία ήταν εξαιρετικά δυσκίνητη. Οι ερευνητές έπρεπε να εισάγουν χειροκίνητα μία-μία τις χρωστικές που είναι ευαίσθητες στο ασβέστιο στα κύτταρα, να περιμένουν να ανάψει το κύτταρο, να τοποθετήσουν το μικροσκόπιο στο κεφάλι του αρουραίου και να βρουν το κύτταρο πριν επιχειρήσουν να καταγράψουν ένα βίντεο. Η ομάδα κατάφερε να απεικονίσει μόλις επτά νευρώνες για αρκετούς μήνες, λέει ο Helmchen, καταγράφοντας ένα μόνο κύτταρο σε κάθε πείραμα.
Χρειάστηκαν άλλα οκτώ χρόνια για ένα μικροσκόπιο δύο φωτονίων τοποθετημένο στο κεφάλι που θα μπορούσε να απεικονίσει σήματα ασβεστίου σε ζώα που κινούνται ελεύθερα. Το 2009, ερευνητές στη Γερμανία κατασκεύασαν ένα φορητό σύστημα 5,5 g που μπορούσε να παρακολουθεί έως και 20 νευρώνες ταυτόχρονα. Κατέγραψαν εικόνες των νευρώνων, οι οποίοι ήταν φορτωμένοι με δείκτες ασβεστίου, στον οπτικό φλοιό των αρουραίων, ενώ τα ζώα έτρεχαν κατά μήκος μιας ημικυκλικής διαδρομής. Αλλά ο σχεδιασμός δεν κατάφερε να κερδίσει μεγάλη απήχηση, λέει ο Helmchen, εν μέρει λόγω της πολυπλοκότητας του συστήματος.
Επιτυχία ενός φωτονίου
Εκείνη την εποχή, ο Zong ήταν δευτεροετής προπτυχιακός φοιτητής μηχανικός και εργαζόταν πάνω σε λέιζερ στο Πανεπιστήμιο του Πεκίνου στο Πεκίνο. Αλλά αυτό που πραγματικά ήθελε, το "τελευταίο του όνειρο", όπως λέει ήταν "να κατανοήσει τη φύση". Το 2012 ξεκίνησε διδακτορικές σπουδές με τον βιοϊατρικό μηχανικό Heping Cheng. Το εργαστήριο του Cheng στο Πανεπιστήμιο του Πεκίνου αναπτύσσει μεθόδους φθορισμού-μικροσκοπίας για τη βιολογική έρευνα.
Μέχρι τότε, τα μινισκόπια ενός φωτονίου είχαν αρχίσει να γίνονται όλο και πιο δημοφιλή. Οι συσκευές αυτές, ελαφριές και αρκετά ανθεκτικές για πολύ δραστήρια ποντίκια, μπορούν να απεικονίσουν χιλιάδες κύτταρα ταυτόχρονα, επιτρέποντας στους ερευνητές να αποκωδικοποιήσουν ολόκληρα νευρωνικά κυκλώματα και όχι μόνο ένα μικρό αριθμό κυττάρων. Μπορούν επίσης να ανιχνεύσουν το GCaMP6, έναν εξαιρετικά ευαίσθητο αισθητήρα ασβεστίου που αναπτύχθηκε μετά την κυκλοφορία των πρώτων πρωτοτύπων δύο φωτονίων. Έχοντας χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση συμπεριφορών όπως η χωρική μνήμη, η φωνητική έκφραση τραγουδιών και ο ύπνος, τα μινισκόπια ενός φωτονίου "έχουν σημειώσει τεράστια επιτυχία", λέει ο Helmchen.
Η Inscopix, μια εταιρεία βιοτεχνολογίας στο Mountain View της Καλιφόρνια, έχει πουλήσει περίπου 1. 500 μινισκόπια ενός φωτονίου σε περισσότερα από 650 εργαστήρια, με "πολύ περισσότερες από 220 δημοσιεύσεις" που αναφέρουν εργασίες με τη χρήση της τεχνολογίας από το 2011, σύμφωνα με τον εμπορικό διευθυντή Martin Verhoef. Οι συσκευές κοστίζουν 50. 000-150. 000 δολάρια ΗΠΑ, ανάλογα με τη διαμόρφωση. Οι εναλλακτικές λύσεις ανοικτού κώδικα περιλαμβάνουν ένα μινισκόπιο ενός φωτονίου από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες (UCLA), το οποίο συνοδεύεται από τεκμηρίωση, λογισμικό και οδηγίες συναρμολόγησης στο GitHub. Αυτό κοστίζει περίπου 500 δολάρια αν τα εξαρτήματα αγοραστούν μαζικά, ή 1. 200 δολάρια ως προσωπικό κιτ. Πλήρως συναρμολογημένα μινισκόπια UCLA διατίθενται για περίπου 2. 000 δολάρια από εταιρείες όπως η LabMaker στο Βερολίνο και η Open Ephys Production Site στη Λισαβόνα.
Περίπου 500 εργαστήρια σε όλο τον κόσμο έχουν χρησιμοποιήσει το μινισκόπιο του UCLA (τώρα στην τέταρτη επανάληψή του) από τότε που η συσκευή κατασκευάστηκε για πρώτη φορά και μοιράστηκε πριν από περίπου μια δεκαετία, λέει ο νευροεπιστήμονας Peyman Golshani, το εργαστήριο του οποίου στο UCLA βοήθησε στην ανάπτυξή του. Οι ερευνητές το έχουν χρησιμοποιήσει για να μελετήσουν νευρώνες που κωδικοποιούν μνήμες σε βάθος χρόνου, για παράδειγμα.
Παρά τις δυνατότητές τους, όμως, τα μινισκόπια ενός φωτονίου δεν μπορούν γενικά να απεικονίσουν σε βάθος μεγαλύτερο από μερικές εκατοντάδες μικρομέτρα και ο φθορισμός που προκύπτει είναι εκτός εστίασης και μπορεί να θολώσει τις εικόνες. Αυτό δεν αποτελεί συνήθως πρόβλημα σε περιοχές του εγκεφάλου όπως ο ιππόκαμπος, όπου μόνο μικρά υποσύνολα κυττάρων πυροδοτούνται, οπότε τα κύτταρα είναι αρκετά αραιά για να εντοπιστούν σε θολές εικόνες, λέει ο Edvard Moser, ο οποίος, μαζί με την May-Britt Moser, διευθύνει το Ινστιτούτο Kavli για τη Νευροεπιστήμη των Συστημάτων.
Ωστόσο, η ανάλυση δημιουργεί ένα πρόβλημα στο εργαστήριο Moser. Οι ερευνητές εκεί μελετούν τα κύτταρα πλέγματος, εξειδικευμένους νευρώνες που αποθηκεύουν πληροφορίες σχετικά με τη θέση, την απόσταση και την κατεύθυνση. Η ανακάλυψη αυτών των κυττάρων χάρισε στους Mosers ένα μερίδιο από το βραβείο Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής του 2014. Αλλά η μικροσκοπία ενός φωτονίου "δεν είναι επαρκής" για την απεικόνιση των κυττάρων πλέγματος, λέει η May-Britt Moser. "Πρέπει να έχετε την ανάλυση δύο φωτονίων".
Συνεργασίες για Miniscopes
Ο Zong το 2015 ήταν μέλος μιας ομάδας, με επικεφαλής τον Cheng, η οποία έλαβε επιχορήγηση για την κατασκευή μιας συσκευής που συνδυάζει τα ελαφριά χαρακτηριστικά των μινισκοπίων ενός φωτονίου με την υποκυτταρική ανάλυση των μεγάλων συστημάτων δύο φωτονίων του πάγκου. Το 2017, περιέγραψαν ένα γρήγορο, υψηλής ανάλυσης, μικροσκόπιο δύο φωτονίων που παρήγαγε καταγραφές νευρικής δραστηριότητας διάρκειας μίας ώρας από μικροσκοπικές προεξοχές νευρικών κυττάρων που ονομάζονται δενδριτικές ακίδες. Η ανάλυση του μικροσκοπίου ήταν σχεδόν αντίστοιχη με εκείνη των μεγάλων συστημάτων δύο φωτονίων σε πάγκο.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια προσαρμοσμένη οπτική ίνα, παρόμοια με αυτές που χρησιμοποιούνται στις τηλεπικοινωνίες για τη μετάδοση πληροφοριών με γρήγορους, σύντομους παλμούς φωτός. Η ίνα παρήγαγε παλμούς λέιζερ στα 920 νανόμετρα, ένα μήκος κύματος που διεγείρει το GCaMP6 (τα προηγούμενα σχέδια διφωτονικών μινισκοπίων μετέδιδαν φως 800-nm και περιορίζονταν σε λιγότερο ευαίσθητους αισθητήρες ασβεστίου). Η ομάδα πρόσθεσε έναν μικροσκοπικό αντικειμενικό φακό με μεγαλύτερη διακριτική ικανότητα από τα προηγούμενα σχέδια και χρησιμοποίησε ένα προσαρμοσμένο κάτοπτρο σάρωσης για να αυξήσει την ταχύτητα απεικόνισης. Η προκύπτουσα συσκευή θα μπορούσε να απεικονίσει την εγκεφαλική δραστηριότητα μέχρι το επίπεδο των νευρικών συνάψεων, τις συνδέσεις μεταξύ των νευρώνων, σε ενεργά ποντίκια.
Σύμφωνα με τον Edvard Moser, αυτό το μινισκόπιο ήταν "ήδη μια επανάσταση". Έδειξε ότι "μπορούν να απεικονιστούν κύτταρα με υψηλή ανάλυση και σταθερότητα σε ζώα που κινούνται", λέει. "Ο κόσμος σοκαρίστηκε" όπως και ο ίδιος.
Ο Moser συνάντησε για πρώτη φορά τον Zong τον Οκτώβριο του 2017 σε ένα συνέδριο έξω από το Πεκίνο. Ενθουσιασμένος με τις δυνατότητες του μινισκοπίου δύο φωτονίων, ο Moser είχε προγραμματίσει μια επίσκεψη στο εργαστήριο του Cheng. Ο Ζονγκ στάλθηκε να τον παραλάβει και να τον οδηγήσει εκεί. Συνομιλώντας κατά τη διάρκεια του δίωρου ταξιδιού, ο Moser έμαθε περισσότερα για το μινισκόπιο δύο φωτονίων. "Η ανάλυση ήταν εξαιρετική και το βάρος αυτού του μικροσκοπίου δεν ήταν καθόλου άσχημο", λέει. Αλλά με μικρό οπτικό πεδίο (130 × 130 μικρομέτρα), το μινισκόπιο μπορούσε να απεικονίσει μόνο μερικές δεκάδες κύτταρα, πολύ λίγα για αυτό που χρειάζονταν ο Moser και οι συνάδελφοί του. "Δεν μπορείς να δεις τα μοτίβα νευρωνικών πυροδοτήσεων όταν έχεις τόσο λίγα κύτταρα", λέει. Συγκριτικά, ένα εμπορικό μικροσκόπιο δύο φωτονίων μπορεί να απεικονίσει περισσότερο από ένα τετραγωνικό χιλιοστό.
Παρόλα αυτά, η συσκευή πρώτης γενιάς αντιπροσώπευε μια τεράστια πρόοδο σε σχέση με τα προηγούμενα σχέδια με κεφαλή δύο φωτονίων, λέει ο Moser. Απλά χρειαζόταν ένα "μικρό έξτρα για να είναι χρήσιμο".
Έξι μήνες αργότερα, ο Zong μετακόμισε στη Νορβηγία και εντάχθηκε στους Mosers στο Ινστιτούτο Kavli, όπου μπορούσε να συνεχίσει την ανάπτυξη του μικροσκοπίου δύο φωτονίων με τη συμβολή βιολόγων που ήθελαν να το χρησιμοποιήσουν. Το εργαστήριο Moser είχε περάσει περισσότερες από δύο δεκαετίες ερευνώντας τη χωρική πλοήγηση, την ικανότητα των ζώων να παρακολουθούν τις αλλαγές στη θέση και τον προσανατολισμό κατά τη διάρκεια της κίνησης. Αυτή η σύνθετη συμπεριφορά ρυθμίζεται από δίκτυα κυψελών πλέγματος, τα οποία πυροδοτούνται σε τακτά χρονικά διαστήματα καθώς τα ζώα περιηγούνται σε ανοιχτό χώρο. Για να κατανοήσουμε όμως πώς συντονίζεται η δραστηριότητα αυτών των εξειδικευμένων νευρώνων απαιτείται προσεκτική εξέταση σε ζώα που κινούνται ελεύθερα.
Πέρυσι, ο Zong και οι συνάδελφοί του στην Κίνα περιέγραψαν μια δεύτερη έκδοση του μινισκοπίου τους, με διευρυμένο οπτικό πεδίο και μεγαλύτερη απόσταση εργασίας που επιτρέπει στους ερευνητές να σαρώνουν πολλαπλά επίπεδα και να απεικονίζουν όγκο 420 × 420 × 180 μικρομέτρων. Αυτό το όργανο δεύτερης γενιάς ήταν αρκετά ανθεκτικό ώστε να καταγράφει νευρωνική δραστηριότητα από την ίδια περιοχή του εγκεφάλου για εβδομάδες.
Όμως οι βελτιώσεις είχαν συμβιβασμούς. Το μικροσκόπιο ήταν βαρύτερο και το καλώδιο πιο άκαμπτο, γεγονός που περιόριζε την ελεύθερη κίνηση των ποντικιών, λέει η May-Britt Moser. Επιπλέον, ο σχεδιασμός περιλάμβανε έναν ηλεκτρικά ρυθμιζόμενο φακό που θερμαινόταν καθώς οι ερευνητές τον μετακινούσαν πάνω και κάτω. Αυτή η θέρμανση προκάλεσε οπτική μετατόπιση, η οποία άλλαξε τη θέση των κυττάρων στο οπτικό πεδίο. "Για έναν νευροεπιστήμονα, αυτό είναι καταστροφή, επειδή δεν μπορείς να παρακολουθείς τη δραστηριότητα στα ίδια κύτταρα με την πάροδο του χρόνου", λέει ο Edvard Moser.
Στο Trondheim, ο Zong ανακάλυψε έναν εναλλακτικό ρυθμιζόμενο φακό που ονομάζεται TLens και κατασκευάζεται από την εταιρεία οπτικής τεχνολογίας poLight στο Skoppum της Νορβηγίας. Σχεδιασμένο για κάμερες κινητών τηλεφώνων και έξυπνων ρολογιών, το TLens φάνηκε ιδανικό για το μικροσκόπιο δύο φωτονίων, λέει ο Zong. Είναι μικροσκοπικός και γρήγορος, και χάρη σε έναν θεμελιωδώς διαφορετικό μηχανισμό ρύθμισης της οπτικής ισχύος του φακού, έχει καλύτερη θερμική σταθερότητα. Χρειαζόταν μόνο δύο ρυθμίσεις. Πρώτον, ο Zong συνεργάστηκε με την εταιρεία Sunlight Technology στο Fuzhou της Κίνας για να αλλάξει την οπτική επίστρωση του TLens ώστε να είναι συμβατό με τα μήκη κύματος των λέιζερ δύο φωτονίων. Δεύτερον, οι επιστήμονες της poLight κατασκεύασαν μια στοίβα τεσσάρων τροποποιημένων φακών για να επεκτείνουν το οπτικό εύρος και την ενσωμάτωσαν στο νέο μινισκόπιο.
Η συστοιχία TLens επιτρέπει στο Mini2P να απεικονίζει σε πολλαπλά επίπεδα, παράγοντας ουσιαστικά μια εικόνα ενός όγκου ιστού. Αυτό αυξάνει τον αριθμό των νευρώνων που μπορούν να καταγράψουν οι ερευνητές σε χιλιάδες, παρόμοιο με τον αριθμό που καταγράφεται από τα μινισκόπια ενός φωτονίου. Αυτό ήταν "μια σημαντική πρόοδος", λέει ο Helmchen. Είναι σημαντικό ότι ο μικροσκοπικός φακός, μαζί με ένα πιο εύκαμπτο καλώδιο, επέτρεπε στα ποντίκια να κινούνται χωρίς περιορισμούς, μια κρίσιμη βελτίωση σε σχέση με την πιο ογκώδη διάταξη του 2021.
"Η δημοσίευση (Mini2P) δείχνει πολύ ωραία ότι η συμπεριφορά των ποντικιών με αυτή τη νέα έκδοση του μικροσκοπίου είναι παρόμοια με εκείνη ενός ποντικιού που δεν φέρει μικροσκόπιο", λέει ο Yaniv Ziv, νευροεπιστήμονας στο Ινστιτούτο Επιστημών Weizmann στο Rehovot του Ισραήλ. "Είναι επίσης αρκετά εντυπωσιακό και σημαντικό για πειράματα σε πιο φυσιολογικά περιβάλλοντα ότι το οπτικό πεδίο παραμένει σταθερό κατά τη διάρκεια της πιο έντονης συμπεριφοράς του ποντικιού".
Ο Ziv είναι ένας από τους 16 ερευνητές που θα κατασκευάσουν το δικό τους Mini2P στο εργαστήριο του Δεκεμβρίου στο Ινστιτούτο Kavli. Το εργαστήριό του χρησιμοποιεί μινισκόπια ενός φωτονίου για να μελετήσει τον τρόπο με τον οποίο κωδικοποιούνται οι μακροπρόθεσμες μνήμες στον ιππόκαμπο, αλλά οι ερευνητές δεν μπορούν να διακρίνουν μεταξύ των κυττάρων σε βαθιά και επιφανειακά στρώματα. Το Mini2P, λέει, μπορεί να πετύχει εκεί που δεν μπόρεσε να πετύχει το μινισκόπιο ενός φωτονίου. Ένας άλλος συμμετέχων στο εργαστήριο, ο νευροεπιστήμονας Yi Gu στα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας (NIH) των ΗΠΑ στην Bethesda του Maryland, μελετά πώς ο εγκέφαλος κωδικοποιεί χωρικές πληροφορίες, χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο δύο φωτονίων για την καταγραφή κυττάρων ενώ ποντίκια με το κεφάλι τους σταθεροποιημένο περιηγούνται σε μια εικονική γραμμική διαδρομή. Αλλά αυτή η πειραματική διάταξη δεν επιτρέπει την καταγραφή κυττάρων όπως οι νευρώνες κατεύθυνσης του κεφαλιού, οι οποίοι αντιλαμβάνονται τις αλλαγές στη θέση και την κίνηση του κεφαλιού. Ο Gu ελπίζει ότι το Mini2P θα της επιτρέψει να εκτελέσει αυτά τα πειράματα σε ελεύθερα κινούμενα ποντίκια, ενώ αυτά περιηγούνται σε πραγματικά περιβάλλοντα.
Μια σύνθετη κατασκευή
Άλλοι ερευνητές αναζητούν επίσης ένα καλύτερο μικροσκοπικό μικροσκόπιο δύο φωτονίων. Τον Αύγουστο, αρκετούς μήνες αφότου η ομάδα Kavli ανέφερε το Mini2P, μια ανεξάρτητη ομάδα με επικεφαλής τον Golshani έλαβε επιχορήγηση 4 εκατομμυρίων δολαρίων μέσω της πρωτοβουλίας BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) του NIH για την ανάπτυξη δύο νέων μικροσκοπίων δύο φωτονίων: ένα μικροσκόπιο για ποντίκια με οπτικό πεδίο 800 × 800 mm ,σχεδόν διπλάσιο από αυτό του Mini2P και συγκρίσιμο με ένα μικροσκόπιο δύο φωτονίων πάγκου και μια συσκευή που θα επιτρέπει στους ερευνητές να απεικονίζουν ταυτόχρονα πολλαπλά εγκεφαλικά στρώματα σε αρουραίους και μεγαλύτερα ζώα. Από την πλευρά του, ο Zong λέει ότι ο ίδιος και οι συνάδελφοί του "θα συνεχίσουν σίγουρα να αναπτύσσουν" το Mini2P, "για να το κάνουν ευρύτερο, ταχύτερο και βαθύτερο".
Αυτό που ίσως είναι πιο δύσκολο να επιτευχθεί είναι η υιοθέτηση από την κοινότητα. Είναι ιδιαίτερα δύσκολο για τους προγραμματιστές εργαλείων ανοικτού κώδικα να κάνουν τα συστήματά τους σταθερά και εύκολα στην κατασκευή και επισκευή από άτομα που δεν είναι ειδικοί στη μικροσκοπία, λέει ο Ziv, και αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τη μικροσκοπία δύο φωτονίων. Η μέθοδος απαιτεί λέιζερ που παράγουν υπερταχείς (της τάξης του ενός εκατομμυριοστού του νανοδευτερολέπτου), υψηλής ισχύος παλμούς φωτός και κοστίζουν έως και 200.000 δολάρια. "Αυτή η τιμή είναι απαγορευτική για πολλές ερευνητικές ομάδες", λέει ο Cai. Τα συστήματα δύο φωτονίων είναι επίσης πολύ πιο πολύπλοκα από τα συστήματα ενός φωτονίου, οπότε η κατασκευή και η χρήση του Mini2P απαιτεί σημαντική τεχνική εμπειρία. Αλλά στο Τρόντχαϊμ, η ανάπτυξη του Mini2P συνεχίζεται. Μετά από τρεις επαναλήψεις, "είμαστε μόλις στην αρχή", λέει ο Zong. "Κάθε τεχνική είναι ήδη παλιά όταν δημοσιεύεται".
Πηγή Εικόνων: W. Zong et al./Cell (CC BY 4.0)