Le microscope à fluorescence à deux photons donne un aperçu de l'avenir

Le microscope à fluorescence à deux photons rapproche l’humanité de la capacité d’interagir avec son environnement en utilisant uniquement la pensée.

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.

La surveillance de l’activité cérébrale est un élément essentiel des neurosciences depuis l’émergence de cette capacité. Le cerveau humain est moins bien compris que l’univers et les océans. En tant que tel, un effort considérable est déployé pour percer les mystères qui se cachent dans votre esprit. Désormais, les chercheurs peuvent approfondir l’activité mentale en temps réel grâce à une méthode révolutionnaire de microscope à fluorescence à deux photons. Voici ce que vous devez savoir.

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.

Comprendre l'activité cérébrale est crucial pour de nombreuses industries, notamment pour le traitement de maladies neurologiques comme la maladie d'Alzheimer. Les scientifiques ont déployé des efforts considérables pour comprendre comment les neurones communiquent et interagissent pendant la pensée. L’objectif de cette recherche est de comprendre pleinement les interactions neuronales complexes jusqu’à la résolution cellulaire.

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.

Les chercheurs espèrent utiliser ces données pour faire la lumière sur les fonctions cérébrales fondamentales, ce qui pourrait un jour conduire à une amélioration de l’apprentissage, de la mémoire, de la prise de décision et des soins de santé. Pour accomplir cette tâche, ils ont créé un outil avancé d’imagerie à deux photons capable de suivre les processus neuronaux dynamiques en temps réel, permettant ainsi une compréhension plus approfondie du cerveau pendant l’apprentissage, les activités et les états pathologiques.

Current Methods of Registering Brain Activity

Méthodes actuelles d'enregistrement de l'activité cérébrale

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).

Il existe aujourd’hui plusieurs méthodes d’enregistrement de l’activité cérébrale. Ces approches ont aidé l’industrie à se développer jusqu’à ce jour. Cependant, ils présentent certains inconvénients importants, notamment le fait qu'ils prennent plus de temps pour surveiller l'activité, peuvent être nocifs pour le patient et sont d'un coût prohibitif. Les deux méthodes les plus couramment utilisées aujourd’hui sont l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) et l’électroencéphalographie (EEG).

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)

Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)

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.

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle est aujourd’hui l’une des méthodes les plus avancées utilisées pour surveiller les ondes cérébrales. Cette procédure non invasive intègre des champs magnétiques et des ondes radio pour créer une image 3D des impulsions électromagnétiques de votre cerveau. Cette stratégie a marqué une amélioration majeure par rapport aux options précédentes, car elle a permis aux chercheurs de zoomer sur un ensemble particulier de neurones, améliorant ainsi considérablement leur compréhension globale de l'activité cérébrale.

Electroencephalography (EEG)

Électroencéphalographie (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.

Une autre méthode que vous avez peut-être vue dans les films est l’électroencéphalographie. Cette approche mesure l'activité électrique de votre cerveau. Les patients doivent placer des capteurs spéciaux sur leur cuir chevelu, sensibles aux courants électriques. Cette méthode de suivi des ondes cérébrales est utilisée depuis 1975, lorsque Richard Caton l'a utilisée pour la première fois avec succès pour suivre les impulsions électriques trouvées dans le cerveau des lapins et des singes.

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.

Depuis lors, cette méthode d’enregistrement de l’activité cérébrale s’est considérablement améliorée. Dans les années 1950, la première itération moderne de l’EEG a été introduite. Il a fidèlement servi de méthode principale pour suivre les ondes cérébrales jusque dans les années 1980. En 1988, il était utilisé pour permettre à une personne de contrôler un robot et est encore utilisé par de nombreux chercheurs.

Study

Étude

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.

L'étude « Microscopie à deux photons à grande vitesse avec excitation de ligne adaptative » a été publiée dans Optica, révélant comment la microscopie à deux photons peut fournir des images à grande vitesse inégalées de l'activité neuronale. Ces photos ont été prises à une résolution cellulaire à l’aide d’un microscope à fluorescence à deux photons spécialement conçu.

Two-Photon Fluorescence Microscope

Microscope à fluorescence à deux photons

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.

Le microscope à fluorescence à deux photons est capable de fournir des images vibrantes en profondeur dans les tissus cérébraux. Pour accomplir cette tâche, le mécanisme introduit une structure d'échantillonnage adaptative. Cette structure serait répétée tout au long de l’expérience pour créer des images 3D dynamiques et des cartes de l’activité cérébrale.

Adaptive Sampling Strategy

Stratégie d'échantillonnage adaptatif

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.

Au cœur de l’étude se trouve l’introduction de la stratégie d’échantillonnage adaptatif. Cette méthode remplace les techniques traditionnelles d’éclairage ponctuel. Au lieu de cela, une stratégie d'éclairage de ligne plus efficace est utilisée parallèlement à une méthode de numérisation de points mise à jour qui fournit beaucoup plus de détails et de capacités de surveillance par rapport aux méthodes précédentes.

Point Scanning

Balayage de points

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.

La numérisation de points avec les anciennes méthodes laissait beaucoup à désirer. D’une part, c’était extrêmement spécifique, ce qui conduisait souvent à l’incapacité de suivre une séquence neuronale entière dans le cerveau. La nouvelle méthode de balayage de points utilise une stratégie d'éclairage de ligne modifiée pour imiter les méthodes de balayage de points à haute résolution. Cette stratégie est cruciale pour identifier les zones du cerveau qui doivent passer à l’étape suivante du processus, le balayage des lignes.

Line Illumination

Éclairage de ligne

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.

L’éclairage des lignes constitue une avancée majeure pour les ingénieurs en neurologie. La méthode projette une petite ligne de lumière sur une zone échantillonnée. Cette approche excite la fluorescence, ce qui facilite le suivi des signaux neurologiques dans le cerveau du début à la fin. De plus, cette approche permet d’exciter, de scanner et de cartographier une zone beaucoup plus grande du cerveau en temps réel.

Two-Photon Microscope Testing

Test au microscope à deux photons

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.

La phase de test du microscope à fluorescence à deux photons a impliqué deux souris de laboratoire, dans lesquelles les chercheurs ont pu suivre l'activité neuronale dans le cortex d'une souris en temps réel. Notamment, l’unité peut actuellement capturer des signaux d’image jusqu’à 198 Hz. Dans ce test, les ingénieurs ont suivi les signaux calciques pouvant signaler une activité neuronale récente.

Digital Micromirror Device (DMD)

Dispositif à micromiroir numérique (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

Pour accomplir cette tâche, un motif de faisceau laser spécialement configuré est formé à l'aide d'un dispositif à micromiroir numérique (DMD). Cette unité contient des milliers de miroirs microscopiques. Chacun de ces miroirs possède des commandes individuelles qui leur permettent de façonner et de cibler la lumière sur des parties précises du cerveau. De plus, les miroirs peuvent être configurés pour activer