Hullámvasút mikroszkópia gyors idegsejt mozik készítéséhez.
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.
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.
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 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?
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.
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.
És hogy jön össze a kettő? Akár hiszitek akár nem az üveg is rugalmas, azaz, ha megfelelő frekvenciával rezgetjük akkor, mint a fenti példában a fémlemez, képes megváltoztatni az alakját. Ráadásul a terjedő hanghullámok még az üveg kristályszerkezetét is megváltoztatják egy kicsit (összenyomják vagy ritkítják), megváltozik sűrűsége és ezért a fény terjedési sebessége is, megváltoztatva a törésmutatót. Tehát ha a mikroszkóp egyik optikai elemét megfelelően ravasz módon rezgetjük, akkor képesek vagyunk a terjedő fény irányát és ezáltal a fókuszált fény mélységét befolyásolni, anélkül, hogy az egész nehéz miskulanciát kelljen mozgatni. A kérdés már csak az, hogyan tudjuk az optikai elemet rezgetni?
Nem kell azt elképzelni, hogy egy hatalmas JBL-t helyezünk a mikroszkóp mellé. Ez több ok miatt nem működne, egyrészt nem lenne elég hangos, másrészt igaz, hogy egy jó hangfal 25-25000 Hz-ig visz át. Ez nekünk itt nem elég. A pici elemek rezgetéséhez magas ultrahang frekvenciákat kell használni 100kHz magasságában. Szerencsére erre is van megoldás. Léteznek olyan kristályok, melyekre, ha nagyfrekvenciás feszültséget kapcsolunk akkor a feszültség frekvenciájával megegyező frekvenciával elmozdul, vagy fordítva, ha rezgetjük a felszínéről ilyen frekvenciájú feszültségingadozást lehet mérni. Ezeket a kristályokat hívják piezoelektromos anyagoknak és a jelenséget piezoelektromosságnak. Ilyennel már biztos mindenki találkozott, ha nem is tud róla, hiszen mobiltelefonjaink mikrofonjai és hangszórói ily módon működnek (nem is beszélve a bennük levő gyorsulás és szögelfordulás érzékelőkről).
Egy ilyen rendszer persze nem csak a mikroszkóp mechanikájából áll, hanem egy összetett számítógép vezérlést is fejleszteni kellett hozzá. Egyrészt a leképző lézersugár mozgatásához, fókuszálásához a közel tetszőlegesen kanyargó útvonalon, másrészt a nagy sebességű adatgyűjtéshez, az adatok megjelenítéséhez és elemzéséhez.
Egy 3D képalkotó mikroszkóp vezérlő programja.
A fejlesztők szuper mikroszkópjukat Hullámvasút mikroszkópnak (roller coaster microscope) nevezték el, mivel közel tetszőleges görbült útvonalon tudják végigvezetni a lézersugarat és ezzel mérni egyedei sejtek nyúlványrendszerének viselkedését, vagy több tucat, egymás közelében elhelyezkedő idegsejt működését. És ami a lényeg, nagy frekvenciával, másodpercenként több tucatszor. A fejlesztés sok évig tartott, még most is folytatódik, és annyira jól sikerült, hogy egy spin-off cég is született jelentős pályázati sikerekkel. A cégben biológusok, fizikusok, matematikusok, programozók és mérnökök dolgoznak együtt és a fejlesztésekbe már a különböző területek egyetemi hallgatóit, doktoranduszait is bevonják. A cég világszerte szállítja keresett termékét az idegtudósok számára.
