Kính hiển vi có kích thước bằng ngón tay cái có thể chụp cảnh quan thần kinh từ sâu bên trong não động vật

Thiết kế mới đi kèm với ba cải tiến cơ bản.
Kính hiển vi có kích thước bằng ngón tay cái có thể chụp cảnh quan thần kinh từ sâu bên trong não động vật
Tiến sĩ Weijian Zong cầm Mini2P brain Explorer. Nguồn: Viện Khoa học Thần kinh Hệ thống Kavli

Các nhà nghiên cứu cuối cùng đã tìm cách thu nhỏ kính hiển vi huỳnh quang hai photon thành một thiết bị cỡ ngón tay cái cho phép họ nhìn thấy bên trong não của động vật sống. Thiết bị có tên Mini2P chỉ nặng 2,4 gram và có thể được gắn vào đầu chuột mà không ảnh hưởng đến chuyển động tự nhiên của nó.

Kính hiển vi có thể ghi lại hình ảnh trực tiếp của các cảnh quan thần kinh, những hình ảnh chưa từng thấy trước đây. Denise Cai, nhà khoa học thần kinh tại Trường Y Icahn tại Mount Sinai, thành phố New York, cho biết: “Sự đổi mới“ mở ra cánh cửa cho những nghiên cứu khoa học rất khó, nếu không muốn nói là không thể”.

Những phát minh lớn mất nhiều năm để phát triển
Kính hiển vi huỳnh quang truyền thống sử dụng một photon đơn để kích thích thuốc nhuộm huỳnh quang, khi các phân tử 'thư giãn', chúng giải phóng ánh sáng. Đây là vấn đề ở các mô dày: khi ánh sáng đi qua các lớp tế bào, nó sẽ bị hấp thụ và phân tán. Vấn đề này được giải quyết bằng kính hiển vi hai photon, sử dụng hai photon có bước sóng dài hơn có thể thâm nhập sâu hơn vào mô.

Nhưng các hệ thống hai photon hiện nay rất cồng kềnh và cần có nguồn sáng và thấu kính chuyên dụng. Các nhà nghiên cứu đã cố gắng trong suốt hai thập kỷ để thu nhỏ công nghệ này thành một công cụ đủ nhẹ và nhỏ gọn để sử dụng cho các loài động vật tự do cư xử.

Thành tích này đạt được bởi Edvard Moser, giáo sư Tâm lý học và Khoa học Thần kinh tại Viện Khoa học Thần kinh Hệ thống Kavli, cùng với Weijing Zong, một kỹ sư sinh học và nhà khoa học thần kinh tại Tập đoàn Moser.

Một phiên bản trước đó của thiết bị hai photon, được báo cáo trên tạp chí Nature Method vào năm ngoái, nặng 4,2 gram và có các bó sợi quang cứng làm chậm chuyển động của chuột và phá vỡ hành vi tự nhiên của nó.

Thiết kế mới đi kèm với ba cải tiến cơ bản
Một chiếc vỏ nhẹ hơn, được chế tạo từ vật liệu giống như nhựa thay vì nhôm, cáp quang mỏng hơn và linh hoạt hơn để chuột có thể chạy quanh lồng của chúng mà không bị rối bởi dây và một ống kính nhỏ có thể điều chỉnh điện.

Bằng cách sử dụng điện áp tĩnh, Zong có thể điều chỉnh độ cong của ống kính mà không làm tăng nhiệt độ. Việc thay đổi độ cong của thấu kính sẽ kích hoạt Mini2P thay đổi mặt phẳng tiêu cự giữa bề mặt và các lớp tế bào sâu hơn của vỏ não, đồng thời cho phép ghi lại cấu trúc 3D của mô não.

Theo các nhà nghiên cứu, Mini2P ghi lại đồng thời từ hàng nghìn tế bào não. Nó có thể theo dõi các tế bào não tương tự trong hơn một tháng và giữ cho chúng tập trung ngay cả trong những hoạt động mạnh mẽ nhất, chẳng hạn như nhảy lặp lại từ một tòa tháp cao 22 cm.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm Mini2P ở nhiều vùng của não, chẳng hạn như hệ thống định vị, trung tâm bộ nhớ và vùng thị giác. Bằng cách sử dụng một loại kỹ thuật chăn bông chắp vá, nó có thể lập bản đồ cảnh quan thần kinh thậm chí còn lớn hơn, như 10.000 tế bào não trên vỏ não thị giác. Tất cả các phép đo được thực hiện trong khi con chuột đang di chuyển tự do và làm những hành động bình thường. Điều này trước đây là không thể.

Mini2P là mã nguồn mở
Mini2P là một phát minh mã nguồn mở có sẵn từ Viện Khoa học Thần kinh Hệ thống Kavli tại NTNU ở Trondheim.

Sử dụng Mini2P, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi các tế bào não trong hơn một tháng, điều này cho phép khám phá toàn diện hơn các khu vực và chức năng khác nhau trên khắp vỏ não. Có thể giúp các nhà nghiên cứu nghiên cứu các bệnh về não như Alzheimer trong tương lai.

Thu thập một lượng đáng kể dữ liệu thần kinh từ một loài động vật cũng có thể giúp giảm số lượng động vật được sử dụng trong nghiên cứu.

ADDVIDEO

May-Britt Moser, giáo sư Tâm lý học và Khoa học Thần kinh tại Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy cho biết: “Chúng tôi tin rằng Mini2P là một công cụ thay đổi cuộc chơi và chúng tôi muốn chia sẻ nó với các nhà khoa học thần kinh và phòng thí nghiệm trên toàn thế giới".

Bản thiết kế, danh sách mua sắm và phim hướng dẫn có sẵn từ GitHub. Viện Kavli cũng sẽ cung cấp các hội thảo cho 16 nhà nghiên cứu, những người sẽ xây dựng Mini2P của riêng họ vào tháng 12 năm nay.

Đỗ Quyên
Theo Interesting engineering
CÙNG CHUYÊN MỤC
ĐỌC THÊM