Hullámvasút mikroszkópia gyors idegsejt mozik készítéséhez.

2023. március 5. vasárnap

Két nemrég megjelent tudományos cikk magyarázatához következik egy kis technikai alapozás. A két cikkben az a közös, hogy mindkettő a Rózsa Balázs vezette Neuronhálózat és Dentritikus Aktivitás Kutatócsoport laboratóriumban készült és saját fejlesztésű, az agyi aktivitás vizsgálatában úttörő technikai újításokat használó 2-foton mikroszkópokat használt.

Mi is a labor által fejlesztett mikroszkópok erőssége? Ugye a gamer egerek bejegyzésben írtunk az idegsejtek működését 3D moziként vizsgálni képes 2-foton mikroszkópokról, melyek a GCaMP optogenetikai fehérje idegsejt aktivitást jelző fluoreszcenciáját vizsgálják. Egy alap 2-foton mikroszkóp úgy állítja elő a 3D képet, hogy egymást követő szeletekként (2D) végigpásztázza az agy vizsgált térfogatát. Ehhez egyrészt két rezgő tükröt használ, melyek mozgatásával egymást követő sorokban lehet pásztázni a szövetet, majd a mikroszkóp fókuszának finom léptetésével egy következő szintet pásztáz.

A 3D kép egymás utáni metszetsíkokban letapogatott 2D síkokból áll össze.

Valahogy úgy kell elképzelni ezt a képalkotást, mint mikor egy olvasó kisgyerek ujját végigvezeti egy könyv sorain, majd egy következő lapra lapoz. Így a 3D pásztázás egy viszonylag lassú folyamat, hiszen a tükrök, még ha aprók is, tömeggel rendelkeznek, nem végtelen sebességgel mozognak. A fókusz léptetés még nagyobb tömegek lassú mozgatásával jár.

A másik probléma, hogy még ha nem is vagyunk kíváncsiak minden egyes pont aktivitására, akkor is végig kell vezetnünk a pásztázó pontot az egész térfogaton. Ahhoz, hogy kellő mennyiségű fotont (fényt) tudjunk begyűjteni a megfelelő jel-zaj szinthez, minden ponton el kell tölteni egy kis időt. Sok kicsi sokra megy és emiatt a következő pásztázást csak az előző befejezése után tehetjük meg, azaz ugyanazt a pontot csak hosszú idő múlva tudjuk újra mérni, azaz alacsony lesz a mintavétel frekvenciája. Képzeljük el mennyi ideig tart egy beszélgetés a futó és edzője között, ha a futó minden 200 méter lefutása alatt edzője mellett elfutva csak néhány szót tud mondani. Vagy ha edzője folyamatosan beszél mit hall belőle egy-egy körben.

 

A 3D ben gyorsan scannelt idegsejteket piros karikák jelzik. A jobb alsó diagram mutatja, hogy a letapogató sugárral egymás után csak azokat a területeket járják körbe ahol a vizsgálni kívánt idegsejtek találhatók.

Balázsék azt a feladatot oldották meg, hogyan lehet egyszerre sok idegsejtből, vagy egyetlen idegsejt dendritágairól, az élettani vizsgálatokhoz szükséges nagy gyakorisággal (frekvenciával, másodpercenként 10-50 szer) mintát venni. Sok sejt mintavételezésére azért van szükség, hogy megtudhassuk az agyban a feladatok megoldása során az idegsejtek aktivitásmintázata hogyan kódolja és dolgozza fel az információt.

A szürkével megjelenített idegsejt dendrit melletti piros vonal jelzi milyen útvonalon futott a letapogató lézer sugár. A bal és jobb oldali görbék a kalcium szint változását mutatják nagy sebességgel az egyes pontokban.

A dendritek vizsgálata pedig abban segít, hogy a sejtek hogyan összegzik a rájuk érkező jeleket és hogyan alakul aktivitásuk.
A fejlesztő kutatóknak azt kellett megoldaniuk, hogy a minta közel tetszőleges pontjai között tudjanak nagy sebességgel mozogni, így kihagyhatják a közbeeső, jelentős méretű, felesleges területről a lassú foton gyűjtögetést és gyorsan újra visszatérhetnek a kívánt terület új mintavételezésére.


Ehhez két dolgot kellett megoldaniuk: 1) 2D-ben gyorsabban tudják tetszőleges helyre mozgatni a tükrüket, illetve 2) gyorsan tudjanak különböző mélységekbe fókuszálni a mikroszkóp nehéz alkotóelemeinek mozgatása nélkül. Az első feladatot elektronmágnessel mozgatható apró tükrök ravaszul leprogramozott mozgatásával oldották meg. A másik megoldás még ravaszabb volt, az akuszto-optikát hívták segítségül. Mi is ez?

Homokmintázat rezgő fémlemezen.

Biztos mindenki látott már olyan videót, ahol egy fémlemezre szórt homok különböző magasságú hangok hatására más-más mintázatba rendeződik. Itt ugye az történi, hogy a hangtól a lemez rezgésbe jön, hanghullámok terjednek benne. Bizonyos frekvenciákon úgy hullámzik, hogy egyes pontjainak kitérése a lehető legnagyobb, viszont más pontjai nem mozdulnak el. A homok ezeken a pontokon halmozódik fel. A megfelelő frekvenciákat saját frekvenciáknak nevezik és ezeken a lemezen egyedi mintázatok jelennek meg. Ez volt az akuszto- (azaz hang) része az akuszto-optikának.

 

Az üvegbe lépő fény lelassul és megváltoztatja irányát.

De mi az optika belőle? Ugye egy mikroszkópban bonyolult lencserendszer alkotja a képet. A lencsék úgy működnek, hogy mivel az üvegben a fény más sebességgel terjed, mint a levegőben, amikor a fénysugár eléri a meggörbült lencsét elkanyarodik, fókuszálódik vagy szóródik a lencse alakjától függően. Azt, hogy mennyire kanyarodik el, a lencse törésmutatója (a levegőben és az üvegben terjedő fénysebesség hányadosa), illetve a lencse alakja határozza meg. Minél jobban lelassul a fény (nagy törésmutató) és minél görbültebb a lencse felülete, annál jobban téríti el a fényt. No ez az optika.