二光子蛍光顕微鏡が未来を垣間見る

二光子蛍光顕微鏡は、人類が思考だけを使って周囲と対話できるようになることに一歩近づきます。

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.

脳活動のモニタリングは、その機能が初めて登場して以来、神経科学の中核的な要素となってきました。人間の脳は宇宙や海洋ほど理解されていません。そのため、心の中にある謎を解明するために多大な努力が払われています。現在、研究者は革新的な二光子蛍光顕微鏡法を使用して、精神活動をリアルタイムでさらに深く調査できるようになりました。知っておくべきことは次のとおりです。

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.

脳の活動を理解することは、アルツハイマー病などの神経疾患の治療を含む多くの業界にとって重要です。科学者たちは、思考中にニューロンがどのように通信し相互作用するかを解明するために多大な努力を費やしてきました。この研究の目標は、複雑な神経相互作用を細胞の解像度に至るまで完全に理解することです。

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.

研究者らは、このデータを使用して基本的な脳機能を明らかにし、いつか学習、記憶、意思決定、ヘルスケアの改善につながる可能性があると期待している。この課題を達成するために、彼らは動的神経プロセスをリアルタイムで追跡できる高度な 2 光子イメージング ツールを作成し、学習、活動、疾患状態中の脳についてのより深い洞察を可能にしました。

Current Methods of Registering Brain Activity

脳活動を記録する現在の方法

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).

現在、脳活動を記録する方法がいくつか使用されています。これらのアプローチは、今日まで業界の発展に貢献してきました。ただし、活動の監視に時間がかかること、患者に有害な可能性があること、費用が法外にかかることなど、いくつかの重大な欠点があります。現在使用されている最も一般的な 2 つの方法には、機能的磁気共鳴画像法 (fMRI) と脳波検査法 (EEG) があります。

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)

機能的磁気共鳴画像法 (fMRI)

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.

機能的磁気共鳴画像法は、今日脳波を監視するために使用されている最も先進的な方法の 1 つです。この非侵襲的手順では、磁場と電波を統合して脳の電磁パルスの 3D 画像を作成します。この戦略は、研究者が特定のニューロンのセットにズームインできるようになり、脳活動の全体的な理解を大幅に向上させるため、以前のオプションに比べて大幅な改善を示しました。

Electroencephalography (EEG)

脳波検査（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.

映画で見たことのあるもう 1 つの方法は脳波検査です。このアプローチでは、脳の電気活動を測定します。患者は、電流に敏感な特別なセンサーを頭皮に取り付ける必要があります。脳波を追跡するこの方法は、1975 年にリチャード・ケイトンがウサギとサルの脳で見つかった電気パルスを追跡するために初めて使用して成功して以来使用されてきました。

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.

それ以来、脳活動を記録するこの方法は大幅に改善されました。 1950 年代に、EEG の最初の現代版が導入されました。これは、1980 年代まで脳波を追跡する主要な方法として忠実に機能しました。 1988 年に、人間がロボットを制御できるようにするために使用され、今でも多くの研究者によって使用されています。

Study

勉強

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.

研究「適応線励起による高速二光子顕微鏡」がOpticaに掲載され、二光子顕微鏡がどのようにして神経活動の比類のない高速画像を提供できるかを明らかにしました。これらの写真は、専用の二光子蛍光顕微鏡を使用して細胞解像度で撮影されました。

Two-Photon Fluorescence Microscope

二光子蛍光顕微鏡

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.

二光子蛍光顕微鏡は、脳組織の深部まで鮮やかな画像を提供できます。このタスクを達成するために、このメカニズムでは適応サンプリング構造が導入されています。この構造は実験全体を通じて繰り返され、動的な 3D 画像と脳活動のマップが作成されます。

Adaptive Sampling Strategy

適応型サンプリング戦略

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.

研究の中心となるのは、適応サンプリング戦略の導入です。この方法は、従来の点照明技術に代わるものです。代わりに、より効果的なライン照明戦略が、過去の方法と比較してはるかに詳細な監視機能を提供する最新のポイント スキャン方法と並行して採用されています。

Point Scanning

ポイントスキャン

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.

古い方法でのポイント スキャンには、多くの要望が残されていました。まず、非常に特異的であるため、脳全体のニューロン配列全体を追跡できないことがよくありました。新しいポイント スキャン方法は、変更されたライン照明戦略を使用して、高解像度のポイント スキャン方法を模倣します。この戦略は、脳のどの領域がプロセスの次のステップであるライン スキャンに進む必要があるかを特定する上で非常に重要です。

Line Illumination

ラインイルミネーション

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.

ライン照明は神経学技師にとって画期的な技術です。この方法では、サンプリングされた領域全体に小さな光の線が投影されます。このアプローチは蛍光を励起するため、脳全体の神経信号を最初から最後まで追跡しやすくなります。さらに、このアプローチにより、脳のより広い領域をリアルタイムで興奮させ、スキャンし、マッピングすることが可能になります。

Two-Photon Microscope Testing

二光子顕微鏡試験

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.

二光子蛍光顕微鏡のテスト段階には 2 匹の実験用マウスが含まれ、研究者はマウス皮質のニューロン活動をリアルタイムで追跡することができました。特に、このユニットは現在最大 198 Hz の画像信号をキャプチャできます。このテストでは、エンジニアは最近の神経活動を知らせるカルシウム信号を追跡しました。

Digital Micromirror Device (DMD)

デジタル マイクロミラー デバイス (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

このタスクを達成するために、特別に構成されたレーザー ビーム パターンがデジタル マイクロミラー デバイス (DMD) を使用して形成されます。このユニットには何千もの微細なミラーが含まれています。これらのミラーにはそれぞれ個別の制御機能があり、脳の正確な部分に光を当ててターゲットを絞ることができます。さらに、ミラーをアクティブに設定することもできます。