Het menselijk brein heeft miljarden neuronen. Door samen te werken maken ze hersenfuncties van hogere orde mogelijk, zoals cognitie en complex gedrag. Om deze hersenfuncties van hogere orde te bestuderen, is het belangrijk om te begrijpen hoe neurale activiteit over verschillende hersengebieden wordt gecoördineerd.
Hoewel technieken zoals functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) inzicht kunnen verschaffen in de hersenactiviteit, kunnen ze slechts een beperkte hoeveelheid informatie tonen voor een bepaalde tijd en een bepaald gebied. Twee-fotonenmicroscopie waarbij gebruik wordt gemaakt van schedelvensters is een krachtig hulpmiddel voor het produceren van beelden met een hoge resolutie, maar conventionele schedelvensters zijn klein, waardoor het moeilijk is om verre hersengebieden tegelijkertijd te bestuderen.
Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van het Exploratory Research Center on Life and Living Systems (ExCELLS) en het National Institute for Physiological Sciences (NIPS) een nieuwe methode geïntroduceerd voor in vivo beeldvorming van de hersenen, die grootschalige en langdurige observatie mogelijk maakt van neuronale structuren en activiteiten bij wakkere muizen.
Deze methode heet de “nanosheet verwerkt in lichtuithardbare hars” (NIRE)-methode, en er wordt gebruik gemaakt van fluorpolymeer nanosheets bedekt met lichtuithardbare hars om grotere schedelvensters te creëren.
“De NIRE-methode is superieur aan eerdere methoden omdat deze grotere schedelvensters produceert dan voorheen mogelijk was, zich uitstrekkend van de pariëtale cortex tot het cerebellum, waarbij gebruik wordt gemaakt van de biocompatibele nanosheet en de transparante, door licht uithardbare hars die van vorm verandert van vloeibaar naar vast.” zegt hoofdauteur Taiga Takahashi van de Tokyo University of Science en ExCELLS.
Bij de NIRE-methode wordt met licht uithardbare hars gebruikt om met polyethyleenoxide gecoate CYTOP (PEO-CYTOP), een bio-inerte en transparante nanosheet, op het hersenoppervlak te fixeren. Hierdoor ontstaat een “raam” dat nauw aansluit op het hersenoppervlak, zelfs op het sterk gebogen oppervlak van het cerebellum, en zijn transparantie lange tijd behoudt met weinig mechanische belasting, waardoor onderzoekers meerdere hersengebieden van levende muizen kunnen observeren.
“Bovendien hebben we aangetoond dat de combinatie van PEO-CYTOP-nanosheets en lichtuithardbare hars het mogelijk maakte sterkere schedelvensters te creëren met grotere transparantie gedurende langere perioden vergeleken met onze vorige methode. Als resultaat waren er weinig bewegingsartefacten, dat wil zeggen vervormingen in de beelden veroorzaakt door de bewegingen van wakkere muizen,” zegt Takahashi.
De schedelvensters maakten beeldvorming met hoge resolutie en een resolutie van minder dan een micrometer mogelijk, waardoor ze geschikt waren voor het observeren van de morfologie en activiteit van fijne neurale structuren.
“Belangrijk is dat de NIRE-methode het mogelijk maakt dat beeldvorming gedurende een langere periode van meer dan 6 maanden wordt uitgevoerd met minimale impact op de transparantie. Dit zou het mogelijk moeten maken om op langere termijn onderzoek te doen naar neuroplasticiteit op verschillende niveaus – van het netwerkniveau tot het cellulaire niveau – en ook tijdens rijping, leren en neurodegeneratie.” legt corresponderende auteur Tomomi Nemoto uit bij ExCELLS en NIPS.
Deze studie is een belangrijke prestatie op het gebied van neuroimaging, omdat deze nieuwe methode onderzoekers een krachtig hulpmiddel biedt om neurale processen te onderzoeken die voorheen moeilijk of onmogelijk te observeren waren. Concreet zou het vermogen van de NIRE-methode om grote schedelvensters te creëren met langdurige transparantie en minder bewegingsartefacten grootschalige, langdurige en multi-schaal in vivo beeldvorming van de hersenen mogelijk moeten maken.
“De methode is veelbelovend voor het ontrafelen van de mysteries van neurale processen die verband houden met groei en ontwikkeling, leren en neurologische aandoeningen. Mogelijke toepassingen zijn onder meer onderzoek naar neurale populatiecodering, hermodellering van neurale circuits en hersenfuncties van hogere orde die afhankelijk zijn van gecoördineerde activiteit in wijdverspreide regio’s.” zegt Nemoto.
Kortom, de NIRE-methode biedt een platform voor het onderzoeken van neuroplastische veranderingen op verschillende niveaus gedurende langere perioden bij dieren die wakker zijn en betrokken zijn bij verschillende gedragingen, wat nieuwe mogelijkheden biedt om ons begrip van de complexiteit en functie van de hersenen te vergroten.
Meer informatie:
Taiga Takahashi et al., Grootschalig schedelvenster voor in vivo beeldvorming van muizenhersenen met behulp van fluorpolymeer nanosheet en lichtuithardbare hars, Communicatie Biologie (2024).
Tijdschriftinformatie:
Communicatie Biologie
Geleverd door Nationale Instituten voor Natuurwetenschappen
