מיקרוסקופ שני פוטונים מספק יכולת הדמיית מוח חסרת תקדים

מיקרוסקופיה פלואורסצנטית של שני פוטונים שיפרה משמעותית את יכולתם של החוקרים לעשות בדיוק את זה, והמעבדה של ספנסר לאוור סמית', פרופסור חבר במחלקה להנדסת חשמל ומחשבים ב-UC סנטה ברברה, היא חממה של מחקר לקידום הטכנולוגיה. כחוקר ראשי במרכז ה-Nemonic, שנולד מיוזמת BRAIN של הנשיא אובמה ומרכזה ב-UCSB, סמית' פועל כדי "לדחוף את גבולות הרב-פוטונים של ה-Nemonic של ה-Next Generation Multiphoton Neuroimaging Consortium (Nemonic) במימון 9 מיליון דולר על ידי NSF. מיקרוסקופיה למחקר מדעי המוח."

בגיליון 17 בנובמבר של תקשורת טבע, סמית' ושותפיו מדווחים על פיתוח מיקרוסקופ חדש שהם מתארים כ"מנועי סריקה משופרים כפולים עצמאיים להדמיית שדה ראייה גדול של שני תמונות (Diesel2p)." מיקרוסקופ שני הפוטונים שלהם מספק יכולת הדמיית מוח חסרת תקדים. למכשיר יש את שדה הראייה הגדול ביותר (עד 25 מילימטרים רבועים) מכל מכשיר כזה, מה שמאפשר לו לספק רזולוציה תת-תאית של מספר אזורים במוח.

"אנחנו מבצעים אופטימיזציה לשלושה דברים: רזולוציה לראות נוירונים בודדים, שדה ראייה ללכידת אזורי מוח מרובים בו זמנית, ומהירות הדמיה כדי ללכוד שינויים בפעילות הנוירונים במהלך התנהגות", הסביר סמית'. "האירועים שאנו מעוניינים בהדמיה נמשכים פחות משנייה, כך שאין לנו זמן להזיז את המיקרוסקופ; עלינו לקבל הכל בזריקה אחת, תוך כדי לוודא שהאופטיקה יכולה למקד פולסים מהירים במיוחד של לייזר אוֹר."

הלייזרים החזקים המניעים מערכות הדמיה דו-פוטונים, כל אחת בעלות של כ-250,000 דולר, מספקות פולסי אור מהירים במיוחד, אולטרה-אינטנסיביים, שכל אחד מהם בהירים יותר מפי מיליארד מאור השמש, ונמשך 0.0001 ננו-שנייה. קרן אחת, עם 80 מיליון פולסים לשנייה, מפוצלת לשתי זרועות מנוע סריקה עצמאיות לחלוטין, מה שמאפשר למיקרוסקופ לסרוק שני אזורים בו זמנית, כאשר כל אחד מהם מוגדר לפרמטרי הדמיה שונים.

באיטרציות קודמות של המכשיר, שני הלייזרים הותקנו והוגדרו לאותם פרמטרים, סידור המגביל מאוד את הדגימה. פרמטרי סריקה אופטימליים, כגון קצב פריימים וגודל אזור הסריקה, משתנים על פני מעגלים עצביים מבוזרים ודרישות ניסוי, והמכשיר החדש מאפשר שימוש בפרמטרים שונים של סריקה עבור שתי האלומות. המכשיר החדש, המשלב מספר אלמנטים מעוצבים ומיוצרים בהתאמה אישית, כולל הממסרים האופטיים, עדשת הסריקה, עדשת הצינור ועדשת האובייקטיב, כבר מאומץ באופן נרחב בשל יכולתו לספק הדמיה במהירות גבוהה של פעילות עצבית באזורי מוח מפוזרים.

סמית' מחויבת להבטיח גישה פתוחה למכשיר. הרבה לפני פרסום המאמר החדש הזה, הוא ושותפיו פרסמו הדפסה מוקדמת הכוללת את הפרטים ההנדסיים הדרושים לשכפולו. הם גם חלקו את הטכנולוגיה עם עמיתים מאוניברסיטת בוסטון, שם חוקרים במעבדה של ג'רי צ'ן כבר ביצעו שינויים כדי להתאים לניסויים שלהם.

"זה מרגש," אמר סמית'. "הם לא היו צריכים להתחיל מאפס כמונו. הם יכלו לבנות על העבודה שלנו. המאמר של ג'רי פורסם גב אל גב עם שלנו, ושתי חברות, INSS ו-CoSys, מכרו מערכות המבוססות על העיצובים שלנו. מכיוון שאין פטנט, ולא יהיה, הטכנולוגיה הזו חופשית לכולם לשימוש ולשינוי לפי ראות עיניהם".

מיקרוסקופיה דו-פוטונים היא סוג מיוחד של מיקרוסקופיה פלואורסצנטית. כדי לבצע עבודה כזו במעבדה של סמית', החוקרים מהנדסים גנטית עכברים כך שהנוירונים שלהם מכילים אינדיקטור פלואורסצנטי לפעילות הנוירונים. המחוון נעשה על ידי שילוב של חלבון ניאון ממדוזות וחלבון קושר סידן שקיים בטבע. הגישה ממנפת את העלייה הקצרה בסדרי הגודל בסידן שנוירון חווה בעת ירי. כאשר הלייזר מכוון אל הנוירון, והנוירון יורה, נכנס סידן, החלבון מוצא את הסידן ובסופו של דבר פורח.

הדמיית שני פוטונים משפרת את מיקרוסקופ הקרינה על ידי שימוש בהתנהגות הקוונטית של פוטונים באופן שמונע כמות ניכרת של אור פלואורסצנטי לא ממוקד להיווצר. במיקרוסקופיה אופטית רגילה, האור מהמקור המשמש לעורר את הדגימה נכנס אליו באופן שמייצר קונוס אור אנכי שמצטמצם לאזור המיקוד של המטרה, ולאחר מכן חרוט הפוך מתחת לנקודה זו. כל אור שאינו בנקודה הצרה ביותר אינו מפוקוס.

האור במיקרוסקופ דו-פוטונים מתנהג בצורה שונה, ויוצר נקודת אור אחת (וללא קונוסים של אור) שנמצאת בפוקוס חד, ומבטלת את כל האור שלא בפוקוס מלהגיע לעדשת ההדמיה. "התמונה חושפת רק אור מהמטוס שאנחנו מסתכלים עליו, בלי הרבה אות רקע מלמעלה או מתחת למטוס", הסביר סמית'. "למוח יש תכונות אופטיות ומרקם כמו חמאה; הוא מלא בליפידים ותמיסות מימיות שמקשות על הראייה. בהדמיה אופטית רגילה אפשר לראות רק את החלק העליון של המוח. הדמיה דו-פוטונים מאפשרת לנו תמונה עמוקה יותר ועדיין משיגה רזולוציה תת-סלולרית."

יתרון נוסף של אור עירור שני פוטונים הוא בכך שהוא משתמש באור בעל אנרגיה נמוכה יותר, באורך גל ארוך יותר (בתחום הקרוב לאינפרא אדום). אור כזה מתפזר פחות כאשר הוא עובר דרך רקמה, כך שניתן למקד אותו בחדות עמוק יותר לתוך הרקמה. יתר על כן, האור בעל האנרגיה הנמוכה פחות מזיק לדגימה מאשר אורכי גל קצרים יותר, כגון אור אולטרה סגול.

המעבדה של סמית' בדקה את המכשיר בניסויים על עכברים, תוך התבוננות במוחם בזמן שהם ביצעו משימות כמו צפייה בסרטונים או ניווט בסביבות מציאות מדומה. כל עכבר קיבל שתל זכוכית בגולגולת שלו, המספק חלון מילולי למיקרוסקופ לתוך המוח שלו.

"אני מונע מניסיון להבין את העקרונות החישוביים במעגלים עצביים שמאפשרים לנו לעשות דברים מעניינים שאנחנו לא יכולים כעת לשכפל במכונות", אמר. "אנחנו יכולים לבנות מכונה לעשות הרבה דברים יותר טוב ממה שאנחנו יכולים. אבל לדברים אחרים, אנחנו לא יכולים. אנחנו מאמנים בני נוער לנהוג במכוניות, אבל מכוניות בנהיגה עצמית נכשלות במגוון רחב של מצבים שבהם בני אדם לא מצליחים. המערכות שבהן אנו משתמשים ללמידה עמוקה מבוססות על תובנות מהמוח, אבל הן רק כמה תובנות, ולא כל הסיפור. הן עובדות די טוב, אבל עדיין שבריריות. לשם השוואה, אני יכול להכניס עכבר ל- חדר שבו הוא מעולם לא היה, והוא ירוץ למקום שבו אני לא יכול להגיע אליו. הוא לא יתקל באף קירות. הוא עושה זאת בצורה אמינה במיוחד ופועל על כוח של כוואט.

"ישנם עקרונות חישוביים מעניינים שעדיין לא נוכל לשכפל במכונות מתוצרת אדם שקיימות במוחם של עכברים", המשיך סמית, "ואני רוצה להתחיל לחשוף את זה. זו הסיבה שרציתי לבנות את המיקרוסקופ הזה".