科学者の神経回路接続の視野を先鋭化する顕微鏡システム

July, 19, 2024, Cambridge--新たに報告された技術により、2光子顕微鏡を使用して生きた脳のシナプスを画像化する際の明瞭さと速度が向上した。

脳の学習能力は、ニューロンが他のニューロンと作るシナプスと呼ばれる小さな接続を絶えず編集し、再構築して回路を形成する「柔軟性」に由来する。柔軟性を研究するために、神経科学者は細胞全体で柔軟性を高解像度で追跡しようとしているが、柔軟性は遅い顕微鏡が追いつくのを待たず、脳組織は光を散乱させて画像がぼやけてしまうことで知られている。
MITのエンジニアと神経科学者の共同研究によるScientific Reportsのオープンアクセス論文で、生きた脳を高速、明瞭、かつ頻繁にイメージングするために設計された新しい顕微鏡システムについて説明されている。

「マルチライン直交走査時間集束」(mosTF)と呼ばれるこのシステムは、脳組織を垂直方向の光線でスキャンすることによって機能する。「2光子顕微鏡」に依存する他のライブ脳イメージングシステムと同様に、この走査型光は、刺激を受けると蛍光を発するように操作された脳細胞からの光子放出を「励起」する。この新しいシステムは、チームのテストで、点ごとに移動する2光子スコープよりも8倍高速であることが証明され、1方向にスキャンするだけの2光子システムよりも4倍優れた信号対バックグラウンド比(結果として得られる画像の鮮明さの尺度)があることが証明された。

「生きている脳のコンテクストで回路構造の急激な変化を追跡することは、依然として課題である。2光子顕微鏡は、脳などの散乱組織の深部にあるシナプスを高解像度で可視化できる唯一の方法だが、必要なポイントバイポイントスキャンは機械的に時間がかかる。mosTFシステムは、解像度を犠牲にすることなくスキャン時間を大幅に短縮する」と、共著者のElly Nedivi、William R.(1964)およびLinda R. Youngの神経科学教授は説明している。

サンプルの全ラインをスキャンすることは、一度に1点ずつスキャンするよりも本質的に高速だが、多くの散乱を引き起こす。その散乱を管理するために、一部のスコープシステムでは散乱光子をノイズとして破棄するが、すると失われてしまうと、筆頭著者でカリフォルニア大学デービス校の助教授、責任著者、Peter T.C.の研究室の元大学院生Yi Xue SM ’15, PhD ’19は話している。同氏は、MIT機械工学と生物工学の教授。
新しいシングルラインシステムやmosTFシステムは、散乱した光子をアルゴリズム的に元の状態に戻すことで、より強いシグナルを生成する(それによって、刺激されたニューロンのより小さく暗い特徴を分解する)。2次元画像では、1次元の単方向システムよりも、mosTFのような2次元の垂直方向のシステムによって生成された情報を使用する方が、このプロセスをより適切に達成できるとXueは話している。

「われわれの励起光は点ではなく線であり、電球というよりは光チューブのようなものだ。しかし、再構成プロセスでは光子を励起ラインに再割り当てすることしかできず、ライン内の散乱を処理することはできない。したがって、散乱補正は2D画像に対して1次元に沿ってのみ行われる。両方の次元で散乱を補正するには、サンプルをスキャンし、もう一方の次元に沿って散乱も補正する必要があり、その結果、直交スキャン戦略が得られる」(Xue)。

この研究では、チームは、ポイントバイポイントスコープ(2光子レーザ走査型顕微鏡(TPLSM))とライン走査型時間集光顕微鏡(lineTF)に対してシステムを直接テストした。チームは、水と脂質を注入した溶液を通して蛍光ビーズを画像化し、生体組織で生じる散乱の種類をよりよくシミュレートした。脂質溶液中、mosTFはlineTFよりも36倍優れたシグナル対バックグラウンド比の画像を生成した。

より決定的な証拠として、XueはNedivi研究室のJosiah Boivinと共同で、mosTFを用いて麻酔をかけた生きたマウスの脳内のニューロンを画像化した。血管の脈動と呼吸の動きがさらなる交絡をもたらすこのはるかに複雑な環境でも、mosTFスコープは4倍のS/バックグラウンド比を達成した。重要なことは、多くのシナプスが生息する特徴、つまり、ニューロン細胞体から成長するツル(vine)のような突起に沿って突き出た棘、または樹状突起を明らかにすることができたことである。柔軟性を監視するには、これらの脊椎が成長し、収縮し、細胞全体に行き来するのを観察できる必要がある、とNediviは話している。

「Soラボとの継続的なコラボレーションと、顕微鏡開発に関する専門知識により、従来のすぐに使える2光子顕微鏡ではアプローチできないin vivo研究が可能になった」と同氏は付け加えている。

そのため、すでに技術のさらなる改善計画がある。

「われわれは、柔軟性をより効率的に観察するために、より効率的な顕微鏡を開発するという目標に向かって努力を続けている。mosTFの速度は、高感度で低ノイズのカメラを使用する必要があるため、まだ制限されている。現在、ハイブリッド光電子増倍管やアバランシェフォトダイオードアレイなど、高感度かつ高速な新しいタイプの検出器を備えた次世代システムに取り組んでいる」と同氏はコメントしている。