Yenilikler

Hafif mikroskop, hareket halindeki farelerin büyük ölçekli beyin aktivitesini yakalar

Bir fare çevresini keşfettikçe beyindeki milyonlarca nöron senkronize bir şekilde ateşlenir. Aynı anda yalnızca küçük bir alt bölümü incelemek, ağaçlar yüzünden ormanı gözden kaçırmak anlamına gelir; ancak fare beyninin tamamını aynı anda yakalayabilen güçlü mikroskoplar, hareket eden bir fareye monte edilemeyecek kadar ağırdır.

Şimdi yeni bir çalışma Doğa Biyomedikal Mühendisliği Bu soruna yenilikçi bir çözüm sunuyor: Ağırlığı yalnızca bir ABD senti kadar olan ancak benzeri görülmemiş bir çözünürlükle beyin aktivitesinin geniş alanlarını yakalayabilen bir mikroskop. Çalışmayı yöneten Rockefeller’den Alipasha Vaziri, “Farelerin sosyal etkileşimler ve av yakalama gibi doğal davranışlarda bulunması sırasında beyni gözlemleme yeteneği, beyin çapında dağıtılan nöroaktivitenin doğal davranışlarla nasıl ilişkili olduğuna dair anlayışımızı geliştirecektir” diyor.

Fare boyutunda mikroskopi

Daha büyük memeliler standart başa takılan mikroskopları barındırabilir ve hatta fareler bile yaklaşık 20 gram veya sekiz ABD kuruş ağırlığındaki teknolojiyi destekleyebilir. Ancak beyni çalışırken anlamak için başvurulacak model organizmalar olan fareler çok daha küçüktür. Bunlara uyacak şekilde tasarlanan mikroskopların ağırlığının üç gramdan az olması gerekir.

“Son yıllarda fareler için başa takılan mikroskoplarda bir patlama gördük, ancak bunlar genellikle hücresel çözünürlükte yalnızca birkaç yüz mikrometrelik görüntüleme alanlarını destekliyor, çünkü daha büyük görüş alanları için ilgili tasarım karmaşıklığı, sürdürülemez bir görüntü kirliliğini de beraberinde getiriyor. ağırlık cezası,” diyor Vaziri. Farelerin taşıyabileceği kadar hafif olan mevcut modeller, mikroskobun görüş alanını, çözünürlüğünü ve derinlik aralığını (veya bunların bir kombinasyonunu) her zaman tehlikeye atıyor ve hareket kaynaklı artefaktlara eğilimli.

Bu sınırlamanın üstesinden gelmeye yönelik önceki girişimler, hâlihazırda var olan teknolojiyi daha hafif hale getirmeye yönelikti; örneğin metal parçaları plastikle değiştirmek, bir yandan da mikroskopların (özellikle artan görüş alanlarını görüntüleyebilenler) temel optik tasarımını korumak; Objektif ağırlığın büyük bir kısmını oluşturur. Vaziri bu zorluğu “ilkeli bir yaklaşım” olarak adlandırdığı yaklaşımla ele aldı. Karmaşık bir lens tabanlı sistemi daha hafif hale getirmeye çalışmak yerine, teknolojinin hedeflerinin gerçekte ne olduğunu açıkladı: örneğin 3 boyutlu hacmindeki noktalar ile kameranın 2 boyutlu yüzeyindeki noktalar arasındaki yüksek çözünürlüklü haritalama problemini çözmek. Bunu aklında tutarak, görüntüyü koruyan lens tabanlı bir sisteme uyum sağlama ihtiyacının getirdiği kısıtlamayı hissetmeden, bu hedefleri karşılayan hafif bir sistem yaratmaya koyuldu.

Vaziri, “Herkes bu çok bileşenli ağır lensleri kullanıyor ve onları daha hafif hale getirmeye çalışıyordu” diyor. “Lensleri nasıl daha hafif hale getireceğimizi sormak yerine, tam tersi bir sorunu çözdük ve temelde lenssiz bir strateji geliştirerek ve kendimizi lens tabanlı görüntü oluşumunun gereksiz kısıtlamalarından kurtararak bu sorunun üstesinden geldik.”

Yeni düşünce = yeni yaklaşım

Kırınımlı optik elemanları (DOE’ler) girin. Dalga cephesinde küresel bir eğrilik oluşturmak için sürekli kavisli bir yüzeye sahip olan geleneksel lenslerin aksine, DOE’ler ışığı kırınım yoluyla manipüle etmek için mikro yapılar kullanır ve ışık dalgalarının hassas kontrolüne olanak tanır. Kompakt, hafif ve etkilidirler. Mikroskopide, geleneksel bir merceğin işlevi, bir nesne üzerindeki uzaydaki noktaları bir görüntü düzlemine (kamera sensörü gibi) eşleyerek, oluşan görüntünün gerçek sahneye benzemesini sağlamaktır. Bununla birlikte, çözünürlüğü korurken giderek daha geniş görüş alanına sahip bir görüntü oluşturmaya çalışıldığında, tek bir merceğin neden olduğu hatalar (optik sapmalar), daha fazla mercek elemanı gerektirir ve bu da bileşik mercek tasarımıyla sonuçlanır.

Vaziri laboratuvarı, DOE’leri kullanarak, bir görüntü oluşturmadan sahne ile sensör arasındaki konumları doğru bir şekilde haritalandırmanın ve ardından orijinal sahneyi yeniden oluşturmak için hesaplamalı yöntemler kullanmanın mümkün olduğunu gösterdi.

Ağırlaştıracak ağır bir bileşik lens olmadan, mini mikroskop yalnızca 2,5 gram ağırlığındadır ve 4 μm yanal çözünürlük ve 300 μm alan derinliği ile 3,6 x 3,6 mm² görüş alanı boyunca fare beyninin geniş bölümlerini yakalayabilen görüntüleme sağlar ve saniyede 16 ciltlik kayıt hızı. Parçaların çoğu 3 boyutlu olarak basılabilir veya ucuz, tüketici sınıfı cep telefonu kamera sensörlerinden faydalanılabilir. Vaziri, “Laboratuvarlar ilgilenirse bu mikroskopları düşük maliyetle kolayca üretebilirler” diyor.

Mini mikroskobun gelecekteki versiyonları, kablosuz veri iletimini içerebilir (mevcut model, tek bir farenin yoluna girmeyen ancak birbiriyle etkileşime giren birden fazla fareyi gözlemlerken kolayca dolaşabilen kablolarla birlikte gelir) ve bir mikroskobun ince ayarını içerebilir. Teknoloji, beynin korteksin daha derinlerinde bulunan bölgelerinin gözlemlenmesine olanak sağlıyor.

Vaziri, “Sistem bazı fedakarlıklarla birlikte geliyor ve daha büyük mikroskoplar kadar yüksek performansa sahip değil” diyor. “Fakat bu çok önemli bir yenilik ve yalnızca soruna yeni bir bakış açısı getirerek ve kendini algılanan kısıtlamalardan kurtararak gelebilecek bir yenilik.”

Kaynak ve İleri Okuma: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/06/240626151913.htm

İlgili Makaleler

Başa dön tuşu