Ο Weijian Zong, ένας μηχανικός οπτικής στην ερευνητική ομάδα του Νομπελίστα Edvard Moser στο Kavli Institute for Systems Neuroscience στο Τρόντχαϊμ της Νορβηγίας, έβγαλε την εργαστηριακή του ρόμπα, φόρεσε τη γραβάτα του και με ένα επίσημο ύφος έδειξε τα τελευταία δεδομένα του στους συναδέλφους του. Ήταν, όπως λέει, η στιγμή που «το παιχνίδι του έγινε εργαλείο».
Το παιχνίδι, σε αυτή την περίπτωση είναι ένα μικροσκόπιο φθορισμού δύο φωτονίων μεγέθους αντίχειρα που μπορεί να φωτίσει και να καταγράψει ζωντανό ιστό σε βάθη που δεν είναι εφικτά με τα συμβατικά μικροσκόπια φθορισμού. Ζυγίζοντας μόνο 2,4 γραμμάρια, το Mini2P μπορεί να προσαρτηθεί στο κεφάλι ενός ποντικού και να παρακολουθεί τη δραστηριότητα εκατοντάδων, ακόμη και χιλιάδων νευρώνων, σε πολλαπλά επίπεδα πυκνά ενεργών περιοχών του φλοιού ενώ το ζώο τρέχει, ανεβαίνει και πηδά από μια πλατφόρμα.
Ο Zong και οι συνεργάτες του δοκίμασαν τη συσκευή στα κέντρα όρασης, μνήμης και πλοήγησης του εγκεφάλου του ποντικιού, διερευνώντας κύτταρα έως και μισού χιλιοστού. Με έναν εξατομικευμένο φακό που μπορεί να ακολουθεί τα ίδια κύτταρα συνεχώς για μία ώρα και πολλές φορές για εβδομάδες, το όργανο παράγει πολύ πιο ευκρινείς εικόνες και μπορεί να καταγράψει παρόμοιο αριθμό κυττάρων, αν όχι περισσότερων, από αυτά που βλέπουν τα τοποθετημένα στο κεφάλι «μινισκόπια» ενός φωτονίου, τα οποία είναι η τρέχουσα τεχνολογία αιχμής για in vivo απεικόνιση σε ζώα που κινούνται ελεύθερα.
Kavli/Mini2P
Σύμφωνα με τον Fritjof Helmchen, έναν φυσικό και νευροεπιστήμονα στο Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης στην Ελβετία, το Mini2P επιτυγχάνει «σχεδόν εξίσου καλή» ανάλυση με ένα ογκώδες σύστημα πάγκου δύο φωτονίων. Είναι επίσης ανοιχτού κώδικα, με λίστες ανταλλακτικών και βίντεο με οδηγίες διαθέσιμα στο GitHub.
Τον περασμένο Δεκέμβριο, 16 ερευνητές ξόδεψαν περίπου 5.500 ευρώ ο καθένας (5.370 $, το οποίο περιλαμβάνει το κόστος ανταλλακτικών) για να κατασκευάσουν τα δικά τους μικροσκόπια δύο φωτονίων σε ένα τριήμερο εργαστήριο που φιλοξένησε το Ινστιτούτο Kavli στο Τρόντχαϊμ.
Το Mini2P — για το οποίο ο Zong τιμήθηκε με το βραβείο Tycho Jæger 2022 από τη Physical Society of Norway και από το Irma Salo Jæger and Tycho Jægers Foundation — «ανοίγει την πόρτα σε γραμμές επιστημονικής έρευνας που ήταν δύσκολο, αν όχι αδύνατο, να ξεκινήσουν», σχολιάζει η Denise Cai, νευροεπιστήμονας στο Icahn School of Medicine στο Mount Sinai στη Νέα Υόρκη.
Το μικροσκόπιο φθορισμού βασίζεται σε μια απλή αρχή: όταν τα μόρια απορροφούν ενέργεια, διεγείρονται ηλεκτρονικά και καθώς τα μόρια «χαλαρώνουν», απελευθερώνουν φως. Τα περισσότερα μικροσκόπια είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε ένα μόνο φωτόνιο να επαρκεί για να προκαλέσει αυτή την αντίδραση. Αλλά αυτό μπορεί να είναι προβληματικό σε παχείς ιστούς γιατί καθώς το φως περνά μέσα από τα κυτταρικά στρώματα, απορροφάται και διασκορπίζεται. Τα μικροσκόπια δύο φωτονίων παρακάμπτουν αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας πολλαπλά φωτόνια μεγαλύτερου μήκους κύματος, τα οποία μπορούν να διεισδύσουν βαθύτερα στον ιστό. Αλλά τα συστήματα δύο φωτονίων είναι ογκώδη και απαιτούν εξειδικευμένες πηγές φωτός και φακούς.
Οι ερευνητές έχουν εργαστεί για περισσότερες από δύο δεκαετίες για να συρρικνώσουν την τεχνολογία σε ένα όργανο που είναι αρκετά ελαφρύ και συμπαγές για εργαστηριακή χρήση σε ζώα που κινούνται ελεύθερα.
{https://www.youtube.com/watch?v=2B0UnX2e5S8}
Εκτός του Zong υπάρχουν και άλλοι ερευνητές που «κυνηγούν» ένα καλύτερο μικροσκόπιο δύο φωτονίων. Τον Αύγουστο του 2022, αρκετούς μήνες αφότου η ομάδα Kavli ανέφερε το Mini2P, μια ανεξάρτητη ομάδα έλαβε επιχορήγηση 4 εκατομμυρίων δολαρίων μέσω της πρωτοβουλίας BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) του NIH για την ανάπτυξη δύο νέων μικροσκοπίων δύο φωτονίων: ενός μικροσκοπίου για ποντίκια με οπτικό πεδίο 800 × 800 mm, σχεδόν διπλάσιο από αυτό του Mini2P και συγκρίσιμο με ένα μικροσκόπιο δύο φωτονίων πάγκου, και μιας συσκευής που θα επιτρέπει στους ερευνητές να απεικονίζουν ταυτόχρονα πολλαπλά εγκεφαλικά στρώματα σε αρουραίους και μεγαλύτερα ζώα. Από την πλευρά του, ο Zong λέει ότι ο ίδιος και οι συνάδελφοί του «θα συνεχίσουν σίγουρα να αναπτύσσουν» το Mini2P, «για να το κάνουν ευρύτερο, ταχύτερο και βαθύτερο».
