Исследователям института неврологии Макса Планка (Max Planck Florida Institute for Neuroscience) и университета Каназава (Kanazawa University) (Япония) удалось получить изображения структурной динамики живых нейронов с беспрецедентным пространственным разрешением



Исследователи произвели модернизацию имеющегося в их распоряжении атомно-силового микроскопа (atomic force microscope, AFM). Благодаря этой модернизации он стал способен снимать динамичные изменения структуры живых нейронов с беспрецедентным на нынешнее время пространственным разрешением и скоростью.

— Атомно-силовая микроскопия (АСМ) является ведущим инструментом для работы с изображениями, измерения и манипулирования материалами с атомным разрешением — порядка долей нанометра.

— АСМ получает изображения топографии поверхности структуры буквально «трогая» поверхность, сканируя очень тонкой иглой (диаметр кончика около 5 нм, 1/100 длины световой волны или 1/10000 волоса)

— Эта технология применяется для получения изображения твердых материалов. Но было трудно применять АСМ для мягких и больших образцов таких, как эукариотические клетки и нейроны, не повреждая образец. Кроме того, получение изображений обычным АСМ слишком медленно, чтобы захватить быстрые изменения клеточной морфологии.

— Эта новая система позволяет анализировать изменения морфологии в ~20-100 раз быстрее стандартного светового микроскопа

Ученые, разрабатывая технологию скоростной съемки (long-tip high-speed, LT-HS-AFM) нашли способ избежать повреждения биологических образцов. Они использовали чрезвычайно длинный и острый зонд, закрепленный на гибкой пластине, такая мягкая и податливая консоль нового микроскопа обеспечивает минимальное давление зонда на образец. А управляет перемещениями наконечника зонда быстродействующая оптическая система, срабатывающая с частотой 800 кГц (тысяч раз в секунду).


Новый микроскоп, не наносящий повреждений биологическим тканям, оптимизирован для проведения скоростной съемки, на создание одного кадра уходит всего несколько секунд времени. Это позволяет регистрировать достаточно динамичные процессы, происходящие в живых клетках, получая при этом пространственную разрешающую способность, в сотни раз превышающую возможности лучших оптических микроскопов.


Изображение нейрона гиппокампа, трансфицированного с mEGFP. Белые пунктирные линии показывают тень кантилевера. Белый квадрат показывает область изображения LT-HS-АСМ.




При помощи созданного ими устройства ученые смогли получить череду снимков, позволяющих отследить динамику структурных изменений поверхности клеток, так называемый процесс морфогенеза, процессы формирования мембранной ряби, формирования впадин и другие изменения, вызванные принудительной стимуляцией различного типа.

В самом ближайшем будущем мы планируем на основе уже имеющейся технологии создать технологию визуализации морфологии синапсов в режиме реального времени, получив при этом суб-нанометровую разрешающую способность" — рассказывает Риохеи Ясуда (Ryohei Yasuda), ученый из института Макса Планка, — «Эти данные имеют очень большое значение для современной науки, ведь изменения морфологии синапсов являются основой синаптической пластичности, основой нашей памяти и познавательной функции. Исследуя эти процессы, мы сможем узнать много нового о том, как нейроны хранят информацию, и это, в конечном счете, поможет нам вплотную подойти к возможности генерирования искусственных воспоминаний, мгновенного обучения и многих других вещей, которые пока являются лишь фантастикой