Onderzoekers van MIT hebben een microscoop ontwikkeld die hersenweefsel vijf keer dieper in beeld brengt dan bestaande technieken. De microscoop doet dit zonder het gebruik van labels, kleurstoffen of genetische modificatie. De sleutel? Een slimme combinatie van lichtpulsen en geluidsgolven.
Hoe ver kun je kijken in het brein zonder het aan te raken, te kleuren of genetisch aan te passen? Tot voor kort bleef de grens steken bij de bovenste lagen van de hersenschors. Maar een team van ingenieurs en neurowetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) heeft die limiet nu fors opgerekt.
Hun nieuwe microscoopsysteem kijkt tot vijf keer dieper dan bestaande technieken. Niet met agressieve contrastvloeistoffen of chemicaliën, maar met ultrakorte lichtflitsen die geluidsgolven opwekken in de cellen zelf. Het resultaat: scherpe, labelvrije beelden van moleculaire activiteit in levende hersencellen.
Licht in, geluid eruit
De techniek die de onderzoekers hebben ontwikkeld, noemen ze “Multiphoton-In and Acoustic-Out”. De naam zegt het al: er gaat licht in en er komt geluid uit. Het systeem stuurt bundels van extreem korte lichtpulsen, drie keer langer in golflengte dan wat de meeste moleculen normaal absorberen. Die langere golven kunnen dieper doordringen in weefsel zonder al te veel te verstrooien.
Wanneer dat licht wordt geabsorbeerd, ontstaat er een piepkleine lokale temperatuurstijging. Die zorgt op zijn beurt voor een microscopisch snelle uitzetting van het weefsel, die een zwakke geluidsgolf produceert. Die geluidsgolven worden opgevangen met een zeer gevoelige ultrasoonmicrofoon en omgezet in beeld.
Deze methode heet drie-foton foto-akoestische beeldvorming, wat betekent dat je zonder kleurstoffen of labels beelden kunt maken van wat er op moleculair niveau in een cel gebeurt.
NAD(P)H als venster op celactiviteit
Een van de moleculen die de nieuwe microscoop goed kan waarnemen, is NAD(P)H: een belangrijke stof die betrokken is bij celstofwisseling en neuronale activiteit. Omdat NAD(P)H van nature in cellen aanwezig is, hoeven onderzoekers niets aan het weefsel toe te voegen om het zichtbaar te maken.
Tijdens tests zagen de onderzoekers NAD(P)H in zowel een 1,1 millimeter dikke hersenorganoïde op basis van stamcellen, als in een 0,7 millimeter dikke muizenhersensnede. “Daarna raakten we letterlijk het glas aan de andere kant,” aldus hoofdonderzoeker David Lee, die daarmee bedoelde dat de monsters simpelweg niet dik genoeg waren om de limiet van het systeem te testen.
Volgens Lee is het goed mogelijk dat het systeem ook tot 2 millimeter diep kan kijken in levende hersenen – iets wat tot nu toe niet haalbaar was zonder weefselmanipulatie.
Eén scan, meerdere inzichten
De kracht van het nieuwe systeem zit niet alleen in de diepte, maar ook in de veelzijdigheid. Het combineert meerdere beeldvormingstechnieken in één enkel platform:
- Drie-foton-excitatie voor diepere penetratie
- Foto-akoestische detectie voor het omzetten van moleculaire activiteit in geluid
- Labelvrije beeldvorming voor intacte monsters
Daarnaast ondersteunt het systeem ook zogeheten “third-harmonic generation”-beeldvorming, waarmee celstructuren zichtbaar worden zonder externe contrastmiddelen. En met behulp van moleculen zoals GCaMP (een veelgebruikte calciumindicator in de neurowetenschappen) kan het systeem ook neuronale activiteit volgen.
Volgens medeonderzoeker Tatsuya Osaki is de kracht van deze aanpak dat alles geïntegreerd is in één enkele, efficiënte scan. En dat maakt de technologie niet alleen geschikt voor onderzoek, maar mogelijk ook voor toepassingen tijdens hersenoperaties, waar het belangrijk is om hersenactiviteit in realtime te kunnen volgen.
Van laboratorium naar operatiekamer
De onderzoekers zijn nu van plan om de technologie te testen in levende dieren. Daarbij zal de hele opstelling moeten worden aangepast: lichtbron én microfoon moeten dan aan dezelfde kant van het weefsel worden geplaatst. In theorie is dat mogelijk – en als het lukt, opent het de deur naar toepassingen in de kliniek.
Interessant is dat de technologie eerder al succesvol werd toegepast in wondzorg. Via het bedrijf Precision Healing Inc. gebruikte David Lee NAD(P)H-beelden om wondgenezing te monitoren. De overstap naar hersenonderzoek lijkt dus een logische volgende stap.
Het project werd gesteund door onder meer de Amerikaanse National Institutes of Health en het Simon Center for the Social Brain, en laat zien dat grensverleggende innovaties vaak ontstaan op het snijvlak van disciplines: hier tussen fysica, biologie en medische technologie.
