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Pesquisadores desenvolveram um novo microscópio de fluorescência de dois fótons que captura imagens de alta velocidade da atividade neural em resolução celular. Ao gerar imagens muito mais rápido e com menos danos ao tecido cerebral do que a microscopia tradicional de dois fótons, a nova abordagem pode fornecer uma visão mais clara de como os neurônios se comunicam em tempo real, levando a novos insights sobre a função cerebral e doenças neurológicas.
“Nosso novo microscópio é idealmente adequado para estudar a dinâmica de redes neurais em tempo real, o que é crucial para entender funções cerebrais fundamentais, como aprendizado, memória e tomada de decisão”, disse o líder da equipe de pesquisa Weijian Yang da Universidade da Califórnia, Davis. “Por exemplo, os pesquisadores poderiam usá-lo para observar a atividade neural durante o aprendizado para entender melhor a comunicação e a interação entre diferentes neurônios durante esse processo.”
Em ÓPTICOperiódico do Optica Publishing Group para pesquisa de alto impacto, os pesquisadores descrevem o novo microscópio de fluorescência de dois fótons, que incorpora um novo esquema de amostragem adaptável e substitui a iluminação de ponto tradicional por iluminação de linha. Eles mostram que o novo método permite imagens in vivo da atividade neuronal no córtex de um camundongo e pode obter imagens em velocidades dez vezes mais rápidas do que a microscopia tradicional de dois fótons, ao mesmo tempo em que reduz a potência do laser no cérebro em mais de dez vezes.
“Ao fornecer uma ferramenta que pode observar a atividade neuronal em tempo real, nossa tecnologia pode ser usada para estudar a patologia de doenças nos estágios iniciais”, disse Yunyang Li, o primeiro autor do artigo. “Isso pode ajudar os pesquisadores a entender melhor e tratar de forma mais eficaz doenças neurológicas como Alzheimer, Parkinson e epilepsia.”
Imagens de alta velocidade com menos danos
A microscopia de dois fótons pode obter imagens profundas em tecidos de dispersão, como o cérebro de um camundongo, escaneando um pequeno ponto de luz por toda a área da amostra para excitar a fluorescência e, em seguida, coletando o sinal resultante ponto por ponto. Esse processo é então repetido para capturar cada quadro de imagem. Embora a microscopia de dois fótons forneça imagens detalhadas, ela é lenta e pode danificar o tecido cerebral.
No novo trabalho, os pesquisadores buscaram superar essas limitações por meio de uma nova estratégia de amostragem. Em vez de usar um ponto de luz, eles usam uma linha curta de luz para iluminar partes específicas do cérebro onde os neurônios estão ativos. Isso permite que uma área maior seja excitada e imageada de uma só vez, acelerando significativamente o processo de imageamento. Além disso, como ele imageia apenas os neurônios de interesse — não o fundo ou áreas inativas — a energia luminosa total depositada no tecido cerebral é reduzida, diminuindo o risco de danos potenciais. Eles chamaram esse esquema de amostragem adaptativa.
Os pesquisadores conseguiram isso usando um dispositivo de microespelho digital (DMD) — um chip contendo milhares de pequenos espelhos que podem ser controlados individualmente — para moldar e direcionar dinamicamente o feixe de luz, permitindo o direcionamento preciso de neurônios ativos. Eles conseguiram amostragem adaptativa ligando e desligando pixels DMD individuais de uma forma que se ajusta à estrutura neuronal do tecido cerebral que está sendo imageado.
Os pesquisadores também desenvolveram uma técnica para usar o DMD para imitar a varredura de pontos de alta resolução. Isso permite que uma imagem de alta resolução seja reconstruída a partir de varreduras rápidas, fornecendo uma maneira rápida de identificar regiões neuronais de interesse. Isso é crítico para a geração de imagens de alta velocidade subsequente com a excitação de linha curta e o esquema de amostragem adaptável.
“Esses desenvolvimentos — cada um crucial por si só — se juntam para criar uma ferramenta de imagem poderosa que avança significativamente a capacidade de estudar processos neurais dinâmicos em tempo real, com risco reduzido para o tecido vivo”, disse Yang. “É importante ressaltar que nossa técnica pode ser combinada com outras técnicas, como multiplexação de feixe e foco remoto, para aumentar ainda mais a velocidade da imagem ou para obter imagens 3D volumétricas.”
Capturando atividade neural
Os pesquisadores demonstraram o novo microscópio usando-o para obter imagens de sinais de cálcio — indicadores de atividade neural — em tecido cerebral de camundongo vivo. O sistema capturou esses sinais a uma velocidade de 198 Hz, que é significativamente mais rápida do que os microscópios tradicionais de dois fótons e demonstra a capacidade de monitorar eventos neuronais rápidos que seriam perdidos por métodos de imagem mais lentos.
Eles também mostraram que a técnica de excitação de linha adaptativa acoplada a algoritmos computacionais avançados torna possível isolar a atividade de neurônios individuais. Isso é importante para interpretar com precisão interações neurais complexas e entender a arquitetura funcional do cérebro.
Em seguida, os pesquisadores estão trabalhando para integrar recursos de imagem de voltagem no microscópio para capturar uma leitura direta e extremamente rápida da atividade neural. Eles também planejam usar o novo método para aplicações reais de neurociência, como observar a atividade neural durante o aprendizado e estudar a atividade cerebral em estados de doença. Além disso, eles pretendem melhorar a facilidade de uso do microscópio e reduzir seu tamanho para aumentar sua utilidade na pesquisa em neurociência.
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