MIT:s genombrottsmikroskop fångar hjärnans elektriska signaler i realtid

"Mikroendoskopisk kalciumavbildning mäter inte själva urladdningen; den mäter förändringar i fluorescens," konstaterar en kommentar från 2026. Förloppet för kalciuminflöde, clearance och fluorescenssensorns kinetik är "långsammare än millisekunddynamiken hos aktionspotentialer" . Som ett resultat missar kalciumavbildning systematiskt den exakta tidpunkten för enskilda nervimpulser .

Spänningsavbildning, däremot, mäter membranpotentialen direkt med hjälp av genetiskt kodade spänningsindikatorer (GEVIs) . Detta ger en direkt optisk avläsning av den elektriska aktiviteten i sig – inte ett fördröjt kemiskt eko – med den millisekundprecision som krävs för att följa aktionspotentialer .

Hur rsLSM uppnår sin hastighet

MIT-teamet designade rsLSM kring två viktiga innovationer för att uppnå helhjärntäckning med cirka 200 Hz (200,8 Hz i avhandlingsversionen av systemet) .

För det första använder mikroskopet fjärromfokusering i stället för att flytta provet. Ett snabbt avsökande ljusark levereras till olika plan genom hjärnvolymen utan mekanisk rörelse, vilket möjliggör mycket snabbare volymetriska svep .

För det andra fångar ett ultrasnabbt dubbelt kamerasystem fluorescensen från GEVIs i den takt som krävs för att urskilja individuella aktionspotentialer . Kombinationen gör att systemet kan skanna hela den ~900 × 370 × 200 µm stora volymen av en zebrafisklarvers hjärna i hastigheter som tidigare ljusarkmikroskop inte kunde nå .

Vad systemet avslöjade i zebrafisklarver

Med rsLSM kunde forskarna mäta spänningen i ungefär en fjärdedel till en tredjedel av alla nervceller spridda över hela hjärnan hos zebrafisklarven . De observerade att "nervceller som avfyrades vid olika tidpunkter under en sekvens var lokaliserade på olika platser i hjärnan," vilket avslöjade populationsdynamik på millisekundnivå som driver naturligt beteende .

Denna nivå av tidsmässig och rumslig detaljrikedom – att se aktionspotentialer sprida sig över hjärnan i realtid – var tidigare oåtkomlig med kalciumavbildning i någon helhjärnberedning . Arbetet öppnar ett fönster mot hur distribuerade nervkretsar samordnar snabba beteenden som flyktreaktioner och simning .

Vart tekniken går härnäst

Den omedelbara effekten av rsLSM är att den gör det möjligt för forskare att ställa frågor om hur populationsdynamik på millisekundnivå driver naturliga beteenden – frågor som kalciumavbildning helt enkelt inte kunde besvara . Framtida arbete förväntas utvidga spänningsavbildning till större och mer komplexa modellorganismer samt att kombinera tekniken med optogenetiska förändringar, vilket skulle ge forskare möjlighet att både läsa och skriva neural aktivitet med hög precision .