Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskop ermöglicht einen Blick in die Zukunft

Das Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskop bringt die Menschheit der Fähigkeit, mit ihrer Umgebung nur durch Gedanken zu interagieren, einen Schritt näher.

Monitoring brain activity has been a core component of neuroscience since the capability first emerged. The human brain is less understood than the universe and oceans. As such, there's a massive effort to unravel the mysteries that lie within your mind. Now, researchers can delve deeper into mental activity in real time using a revolutionary two-photon fluorescence microscope method. Here's what you need to know.

Die Überwachung der Gehirnaktivität ist seit ihrer Entstehung ein zentraler Bestandteil der Neurowissenschaften. Das menschliche Gehirn ist weniger erforscht als das Universum und die Ozeane. Daher werden enorme Anstrengungen unternommen, um die Geheimnisse zu lüften, die in Ihrem Kopf schlummern. Jetzt können Forscher mithilfe einer revolutionären Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskop-Methode in Echtzeit tiefer in die geistige Aktivität eintauchen. Folgendes müssen Sie wissen:

Understanding brain activity is crucial for many industries, including treating neurological diseases like Alzheimer's. Scientists have spent considerable effort unraveling how neurons communicate and interact during thought. The goal of this research is to fully understand complex neural interactions down to cellular resolution.

Das Verständnis der Gehirnaktivität ist für viele Branchen von entscheidender Bedeutung, einschließlich der Behandlung neurologischer Erkrankungen wie Alzheimer. Wissenschaftler haben erhebliche Anstrengungen unternommen, um herauszufinden, wie Neuronen beim Denken kommunizieren und interagieren. Ziel dieser Forschung ist es, komplexe neuronale Interaktionen bis hin zur zellulären Auflösung vollständig zu verstehen.

Researchers hope to use this data to shed light on fundamental brain functions which could one day lead to improved learning, memory, decision-making, and health care. To accomplish this task they created an advanced two-photon imaging tool capable of tracking dynamic neural processes in real-time, enabling a deeper insight into the brain during learning, activities, and disease states.

Forscher hoffen, diese Daten nutzen zu können, um Aufschluss über grundlegende Gehirnfunktionen zu geben, die eines Tages zu einer Verbesserung des Lernens, des Gedächtnisses, der Entscheidungsfindung und der Gesundheitsversorgung führen könnten. Um diese Aufgabe zu erfüllen, entwickelten sie ein fortschrittliches Zwei-Photonen-Bildgebungstool, das in der Lage ist, dynamische neuronale Prozesse in Echtzeit zu verfolgen und so einen tieferen Einblick in das Gehirn beim Lernen, bei Aktivitäten und bei Krankheitszuständen zu ermöglichen.

Current Methods of Registering Brain Activity

Aktuelle Methoden zur Registrierung der Gehirnaktivität

There are several methods of registering brain activity in use today. These approaches have helped the industry develop to this date. However, they do have some significant drawbacks including that they take more time to monitor activity, can be harmful to the patient, and are cost-prohibitive. The two most common methods in use today include Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) and Electroencephalography (EEG).

Heutzutage werden verschiedene Methoden zur Registrierung der Gehirnaktivität verwendet. Diese Ansätze haben der Branche bis heute geholfen, sich weiterzuentwickeln. Sie weisen jedoch einige erhebliche Nachteile auf, unter anderem, dass die Überwachung der Aktivität mehr Zeit in Anspruch nimmt, für den Patienten schädlich sein kann und zu hohe Kosten verursacht. Zu den beiden heute am häufigsten verwendeten Methoden gehören die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) und die Elektroenzephalographie (EEG).

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)

Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT)

Functional Magnetic Resonance Imaging is one of the most advanced methods used to monitor brain waves today. This non-invasive procedure integrates magnetic fields and radio waves to create a 3D image of your brain's electromagnetic pulses. This strategy marked a major improvement over previous options as it allowed researchers to zoom in on a particular set of neurons, improving their overall understanding of brain activity greatly.

Die funktionelle Magnetresonanztomographie ist heute eine der fortschrittlichsten Methoden zur Überwachung von Gehirnströmen. Dieses nicht-invasive Verfahren integriert Magnetfelder und Radiowellen, um ein 3D-Bild der elektromagnetischen Impulse Ihres Gehirns zu erstellen. Diese Strategie stellte eine wesentliche Verbesserung gegenüber früheren Optionen dar, da sie es den Forschern ermöglichte, sich auf eine bestimmte Gruppe von Neuronen zu konzentrieren und so ihr Gesamtverständnis der Gehirnaktivität erheblich zu verbessern.

Electroencephalography (EEG)

Elektroenzephalographie (EEG)

Another method that you may have seen in movies is Electroencephalography. This approach measures your brain's electrical activity. Patients need to place special sensors on their scalp that are sensitive to electrical currents. This method of tracking brain waves has been used since 1975 when Richard Caton first used it to track the electrical pulses found in rabbits' and monkeys' brains with success.

Eine andere Methode, die Sie vielleicht aus Filmen gesehen haben, ist die Elektroenzephalographie. Dieser Ansatz misst die elektrische Aktivität Ihres Gehirns. Patienten müssen spezielle Sensoren auf ihrer Kopfhaut anbringen, die empfindlich auf elektrische Ströme reagieren. Diese Methode zur Verfolgung von Gehirnwellen wird seit 1975 verwendet, als Richard Caton sie erstmals erfolgreich zur Verfolgung der elektrischen Impulse im Gehirn von Kaninchen und Affen einsetzte.

Since then, this method of registering brain activity has improved significantly. In the 1950s, the first modern iteration of the EEG was introduced. It served faithfully as the primary method of tracking brain waves into the 1980s. In 1988, it was used to enable a person, to control a robot and is still used by many researchers.

Seitdem hat sich diese Methode zur Erfassung der Gehirnaktivität erheblich verbessert. In den 1950er Jahren wurde die erste moderne Variante des EEG eingeführt. Es diente bis in die 1980er Jahre treu als primäre Methode zur Verfolgung von Gehirnwellen. Im Jahr 1988 wurde es eingesetzt, um einem Menschen die Steuerung eines Roboters zu ermöglichen, und es wird noch immer von vielen Forschern verwendet.

Study

Studie

The study “High-speed two-photon microscopy with adaptive line-excitation” was published in Optica revealing how two-photon microscopy can provide unmatched high-speed images of neural activity. These photos were made at a cellular resolution using a purpose-built two-photon fluorescence microscope.

Die Studie „Hochgeschwindigkeits-Zwei-Photonen-Mikroskopie mit adaptiver Linienanregung“ wurde in Optica veröffentlicht und zeigt, wie Zwei-Photonen-Mikroskopie unübertroffene Hochgeschwindigkeitsbilder neuronaler Aktivität liefern kann. Diese Fotos wurden mit zellulärer Auflösung mit einem speziell angefertigten Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskop aufgenommen.

Two-Photon Fluorescence Microscope

Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskop

The Two-Photon fluorescence microscope is capable of providing vibrant images deep into brain tissue. To accomplish this task, the mechanism introduces an adaptive sampling structure. This structure would be repeated throughout the experiment to create dynamic 3d images and maps of brain activity.

Das Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskop ist in der Lage, lebendige Bilder tief ins Gehirngewebe zu liefern. Um diese Aufgabe zu erfüllen, führt der Mechanismus eine adaptive Abtaststruktur ein. Diese Struktur würde während des gesamten Experiments wiederholt, um dynamische 3D-Bilder und Karten der Gehirnaktivität zu erstellen.

Adaptive Sampling Strategy

Adaptive Sampling-Strategie

At the core of the study is the introduction of the adaptive sampling strategy. This method replaces traditional point illumination techniques. Instead, a more effective line illumination strategy is employed alongside an updated point scanning method that provides far more detail and monitoring capabilities compared to past methods.

Im Mittelpunkt der Studie steht die Einführung der adaptiven Sampling-Strategie. Diese Methode ersetzt herkömmliche Punktbeleuchtungstechniken. Stattdessen wird eine effektivere Linienbeleuchtungsstrategie zusammen mit einer aktualisierten Punktscanmethode eingesetzt, die im Vergleich zu früheren Methoden weitaus mehr Details und Überwachungsmöglichkeiten bietet.

Point Scanning

Punktscannen

Point scanning in old methods left much to be desired. For one, it was extremely specific which would often lead to the inability to track an entire neuron sequence across the brain. The new point scanning method uses an altered line illumination strategy to imitate high-resolution point scanning methods. This strategy is crucial in identifying what areas of the brain need to move on to the next step of the process, line scanning.

Das Punktscannen mit alten Methoden ließ viel zu wünschen übrig. Zum einen war es äußerst spezifisch, was oft dazu führte, dass es nicht möglich war, eine gesamte Neuronensequenz im Gehirn zu verfolgen. Das neue Punktscanverfahren nutzt eine veränderte Linienbeleuchtungsstrategie, um hochauflösende Punktscanverfahren zu imitieren. Diese Strategie ist entscheidend für die Identifizierung der Bereiche des Gehirns, die zum nächsten Schritt des Prozesses, dem Zeilenscannen, übergehen müssen.

Line Illumination

Linienbeleuchtung

Line illumination is a breakthrough for neurology engineers. The method projects a small line of light across a sampled area. This approach excites fluorescence, which makes it easier to track neurological signals across the brain from start to finish. Additionally, this approach allows a much larger area of the brain to be excited, scanned, and mapped in real-time.

Die Linienbeleuchtung ist ein Durchbruch für Neurologieingenieure. Die Methode projiziert eine kleine Lichtlinie über einen abgetasteten Bereich. Dieser Ansatz regt Fluoreszenz an, was es einfacher macht, neurologische Signale im gesamten Gehirn von Anfang bis Ende zu verfolgen. Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz die Anregung, das Scannen und die Kartierung eines viel größeren Bereichs des Gehirns in Echtzeit.

Two-Photon Microscope Testing

Zwei-Photonen-Mikroskoptests

The testing phase of the two-photon fluorescence microscope involved two lab mice, in which researchers were able to track neuronal activity in a mouse cortex in real time. Notably, the unit can capture image signals up to 198 Hz currently. In this test, the engineers tracked calcium signals which can signal recent neural activity.

An der Testphase des Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskops waren zwei Labormäuse beteiligt, bei denen die Forscher die neuronale Aktivität im Mauskortex in Echtzeit verfolgen konnten. Bemerkenswert ist, dass das Gerät derzeit Bildsignale bis zu 198 Hz erfassen kann. Bei diesem Test verfolgten die Ingenieure Kalziumsignale, die auf aktuelle neuronale Aktivität hinweisen können.

Digital Micromirror Device (DMD)

Digitales Mikrospiegelgerät (DMD)

To accomplish this task, a specially configured laser beam pattern is formed using a digital micromirror device (DMD). This unit contains thousands of microscopic mirrors. Each of these mirrors has individual controls that allow them to shape and target light at precise parts of the brain. Additionally, the mirrors can be set up to activate

Um diese Aufgabe zu erfüllen, wird mithilfe eines digitalen Mikrospiegelgeräts (DMD) ein speziell konfiguriertes Laserstrahlmuster erzeugt. Diese Einheit enthält Tausende von mikroskopischen Spiegeln. Jeder dieser Spiegel verfügt über individuelle Steuerungen, mit denen er das Licht gezielt auf bestimmte Teile des Gehirns ausrichten kann. Zusätzlich können die Spiegel so eingestellt werden, dass sie aktiviert werden