Понимание того, как животные используют свои мозговые схемы для создания поведения в ответ на окружающую среду, является одной из центральных целей нейробиологии. Хотя можно изучать поведение животных, наблюдая, как животное решает проблемы, чтобы понять роль мозга в формировании поведения, необходимо одновременно измерять активность мозговых цепей.
Получение изображений in vivo, конечно, не является чем-то новым в биологии: оно восходит к самым истокам микроскопии. Чтобы заглянуть внутрь мозга, можно использовать специальные микроскопы, которые могут видеть сквозь ткани, что позволяет наблюдать за работой нейронных цепей. Преимущество использования микроскопа для визуализации нервной активности состоит в том, что он относительно неинвазивен. Установленный вне головного мозга, микроскоп просто посылает свет в мозг, в свою очередь, получая свет, излучаемый головным мозгом.
В то время как обычные микроскопы слишком тяжелы, чтобы обеспечить функциональную визуализацию животных, ведущих себя свободно, за последние годы были предприняты значительные усилия по разработке миниатюрных микроскопов, устанавливаемых на голову.
В 2009 году группа Джейсона Керра в сотрудничестве с группой Винфрида Денка из Института нейробиологии Макса Планка (Мартинсрид) создала миниатюрный навесной многофотонный микроскоп. Это позволило регистрировать активность нейронных популяций, расположенных в нескольких верхних слоях зрительной коры бодрствующих, свободно движущихся крыс.
Хотя этот «двухфотонный фиброскоп» был прорывом в измерении мозговой активности свободно ведущих животных, большая часть корковых слоев оставалась недоступной. Чтобы получить изображение более глубоких слоев коры на клеточном уровне, потребовался новый подход.
В сотрудничестве с группой Филипа Рассела из Института науки о свете Макса Планка группа Керра разработала небольшой многофотонный микроскоп на голове, способный визуализировать все корковые слои свободно движущейся крысы. Свет доставляется через специально разработанное и изготовленное стекловолокно с использованием «трехфотонного эффекта» для отображения активности нейронов, расположенных в глубоких слоях коры. По сравнению с двухфотонной или однофотонной флуоресцентной микроскопией, трехфотонный идеален для визуализации более глубоких рассеивающих тканей и позволяет получать более четкие изображения отдельных клеток глубоко в ткани.
Новый микроскоп позволяет получать непрерывные изображения популяций нейронов, даже когда животное бегает или выполняет сложные поведенческие задачи, в течение длительных периодов времени.
Исследователи ожидают, что фиброскоп будет широко применим для поведенческих исследований, поскольку предыдущие микроскопы были ограничены по глубине изображения и непригодны для использования в течение продолжительных периодов времени, что ограничивало типы поведения, которое можно было наблюдать.
Благодаря этому новому подходу исследователи теперь могут понять сложную динамику сети, лежащую в основе нейронных вычислений, которые, в свою очередь, формируют основу восприятия и поведения.