MIT-forskeres nye mikroskop kan se hjernens elektriske aktivitet i millisekundskala

Neuroscience står længe med en grundlæggende udfordring: Man kan enten måle elektrisk aktivitet fra nogle få neuroner med millisekunders præcision ved hjælp af elektroder, eller man kan afbilde mange neuroner på tværs af hjernen med fluorescerende calciumindikatorer — men kun med en brøkdel af den hastighed, som nervesystemet egentlig arbejder med. Et nyt mikroskop fra MIT-ingeniører bygger nu bro over det gab.

Det såkaldte remote scanning light-sheet microscope (rsLSM) registrerer elektrisk aktivitet på tværs af hele hjernen hos en levende organisme med millisekunders tidsopløsning . Systemet, der er beskrevet i en artikel fra 2026 i Neurophotonics og i en tilhørende preprint, er demonstreret i larver af zebrafisk — en gennemsigtig modelorganisme, der er ideel til helhjernesafbildning .

Hvorfor calciumimaging halter bagefter

I over et årti har calciumimaging været arbejdshesten inden for optisk hjerneafbildning. Genetisk kodede sensorer som GCaMP detekterer tilstrømningen af calciumioner, der følger efter en neurons aktion. Men calcium er en indirekte indikator — ikke selve det elektriske signal .

”Mikroendoskopisk calciumimaging måler ikke fyring; det måler ændringer i fluorescens,” hedder det i en kommentar fra 2026. Calciumets indtrængen, clearance og sensorernes kinetik er ”langt langsommere end aktionspotentialernes millisekunddynamik” . Resultatet er, at calciumimaging konsekvent overser de præcise tidspunkter for enkeltstående aktionspotentialer .

Spændingsimaging (voltage imaging) måler derimod direkte membranpotentialet ved hjælp af genetisk kodede spændingsindikatorer (GEVI'er) . Det giver en direkte optisk aflæsning af selve den elektriske aktivitet — ikke et forsinket kemisk ekko — med den millisekundpræcision, der kræves for at følge aktionspotentialer .

Sådan opnår rsLSM sin hastighed

MIT-holdet designede rsLSM omkring to centrale nyskabelser for at opnå dækning af hele hjernen ved cirka 200 Hz (200,8 Hz i den version, der er beskrevet i afhandlingen) .

For det første anvender mikroskopet remote refocusing i stedet for at flytte prøven. Et hurtigt scannende lysark leveres til forskellige planer gennem hjernevolumenet uden mekanisk bevægelse, hvilket muliggør langt hurtigere volumenmæssige scanninger .

For det andet indfanger et ultrahurtigt dobbeltkamera-system fluorescensen fra GEVI'erne med den hastighed, der skal til for at opløse enkeltstående aktionspotentialer . Kombinationen gør det muligt at scanne hele zebrafiskhjernens volumen (~900 × 370 × 200 µm) med en hastighed, som tidligere lysarkmikroskoper ikke kunne nå .

Hvad systemet afslørede i zebrafisklarver

Med rsLSM målte forskerne spændingen i cirka en fjerdedel til en tredjedel af alle neuroner fordelt over hele larvehjernen . De observerede, at ”neuroner, der fyrede på forskellige tidspunkter under en sekvens, befandt sig på forskellige steder i hjernen”, hvilket afslørede populationsdynamik på millisekundskala, som driver naturlig adfærd .

Denne detaljeringsgrad i både tid og rum — at se aktionspotentialer forplante sig gennem hjernen i realtid — var tidligere utilgængelig med calciumimaging i nogen helhjernepræparation . Arbejdet åbner et vindue ind til, hvordan distribuerede kredsløb koordinerer hurtige adfærdsmønstre som flugtreaktioner og svømning .

Hvor teknologien bevæger sig hen

Den umiddelbare betydning af rsLSM er, at det gør det muligt for forskere at undersøge, hvordan populationsdynamik på millisekundskala driver naturlig adfærd — spørgsmål, som calciumimaging simpelthen ikke kunne besvare . Fremtidigt arbejde forventes at udvide spændingsimaging til større og mere komplekse modelorganismer samt at kombinere teknikken med optogenetisk manipulation, så forskerne både kan aflæse og påvirke neural aktivitet med høj præcision .