Computational aberration-corrected volumetric imaging of single retinal cell dynamics in the living eye
Dieses Paper stellt die plenoptische Beleuchtungsscan-Laser-Ophthalmoskopie (PI-SLO) vor, ein hochgeschwindigkeitsfähiges, weitfeldtaugliches 3D-Bildgebungsverfahren, das okuläre Aberrationen überwindet, um eine nicht-invasive volumetrische Bildgebung der retinalen Dynamik in lebenden Augen mit Einzelzellauflösung zu ermöglichen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Das menschliche Auge ist mehr als nur ein Fenster zur Welt; es ist der einzige Teil des zentralen Nervensystems, in den Ärzte ohne chirurgische Eingriffe direkt hineinsehen können. Im Inneren dieser winzigen, transparenten Kugel liegt die Retina, eine dünne Gewebeschicht, die dicht gepackt ist mit Neuronen, Blutgefäßen und Immunzellen, die zusammenarbeiten, um Licht zu verarbeiten. Da diese Zellen so klein und so eng gepackt sind, war es unglaublich schwierig, zu untersuchen, wie sie sich bewegen und miteinander kommunizieren, während sie sich in einem lebenden Tier befinden. Traditionelle Kameras haben Schwierigkeiten, tief in das Auge zu blicken, da die eigene Linse des Auges unvollkommen ist und das Bild verschwommen darstellt, während leistungsstarke Mikroskope, die einzelne Zellen sehen können, oft invasive Operationen erfordern oder sich so langsam bewegen, dass sie schnelle biologische Ereignisse verpassen. Wissenschaftler wollten schon lange einen Weg finden, um zuzusehen, wie diese winzigen zellulären Gespräche in Echtzeit über ein großes Gebiet stattfinden, ohne das empfindliche Gewebe zu verletzen.
Ein Team von Forschern der Johns Hopkins University hat eine neue Methode entwickelt, um genau das zu tun. Sie entwickelten ein spezialisiertes Bildgebungssystem, das wie eine Hochgeschwindigkeits-3D-Kamera für das lebende Auge fungiert. Anstatt sich auf komplexe Hardware zu verlassen, um die verschwommene Sicht des Auges physisch zu korrigieren, nutzt ihr System einen klugen Trick mit Licht und Computerverarbeitung. Das Gerät strahlt Licht aus vielen leicht unterschiedlichen Winkeln in schneller Folge in das Auge. Wenn das Licht auf die Retina trifft, regt es leuchtende Zellen an, und ein Sensor erfasst das zurückgeworfene Licht. Da das Licht aus verschiedenen Richtungen eintritt, verschiebt sich die Position jeder leuchtenden Zelle in den aufgenommenen Bildern geringfügig, ganz ähnlich wie ein Baum sich bewegt, wenn man an ihm vorbeiläuft. Durch das Erfassen dieser Verschiebungen aus Dutzenden von Winkeln in weniger als einer Sekunde können die Forscher mithilfe eines Computers genau berechnen, wo sich jede Zelle im dreidimensionalen Raum befindet, wodurch die durch die Unvollkommenheiten des Auges verursachte Unschärfe effektiv entfernt wird.
Mit dieser Methode, genannt plenoptische Beleuchtungsscan-Ophthalmoskopie, konnte das Team die lebende Maus-Retina in beispielloser Detailgenauigkeit beobachten. Sie konzentrierten sich auf drei Schlüsselbereiche: die Immunzellen, die das Auge patrouillieren, die Blutgefäße, die es versorgen, und die Neuronen, die visuelle Signale verarbeiten. In der ersten Versuchsreihe verfolgten sie die Bewegungen von etwa einhundert Immunzellen über einen Zeitraum von dreizehn Minuten. Sie fanden heraus, dass diese Zellen nicht alle gleich sind; jene in der Nähe der Oberfläche der Retina bewegten sich wesentlich aktiver als jene, die tiefer im Gewebe verborgen waren. Dies deutet darauf hin, dass verschiedene Schichten der Retina unterschiedliche Arten von Immunaktivität aufweisen, ein Detail, das zuvor über eine so große Fläche hinweg nicht klar sichtbar war. Das System erfasste diese Bewegungen mit einer Geschwindigkeit von über dreiundzwanzig vollständigen 3D-Volumina pro Sekunde, was es den Forschern ermöglichte, die Zellen beim Ausstrecken und Zusammenziehen ihrer winzigen Verzweigungen in Echtzeit zu beobachten.
Die Forscher nutzten das System auch, um den Blutfluss durch die drei verschiedenen Schichten der retinalen Gefäße zu kartieren. Durch die Injektion eines harmlosen fluoreszierenden Farbstoffs in den Blutkreislauf konnten sie beobachten, wie einzelne Blutzellen durch die Kapillaren sausten. Die Technologie ermöglichte es ihnen, nicht nur die primären horizontalen Schichten der Blutgefäße zu sehen, sondern auch die winzigen vertikalen Verbindungen, die zwischen diesen Schichten abtauchen und die normalerweise verborgen bleiben. Sie maßen die Blutflussgeschwindigkeit in diesen winzigen Gefäßen und fanden heraus, dass einige mit 0,68 Millimetern pro Sekunde bewegten, während andere mit 0,12 Millimetern pro Sekunde viel langsamer waren. Diese Fähigkeit, den Fluss im gesamten Netzwerk gleichzeitig zu messen, liefert ein vollständiges Bild davon, wie das Auge mit Sauerstoff versorgt wird, was entscheidend für das Verständnis von Krankheiten wie Diabetes und Glaukom ist.
Vielleicht am bedeutendsten ist, dass das Team demonstrierte, dass sie die elektrische Aktivität des Gehirns im Auge beobachten können, ohne die Bewegung des Tieres zu unterbrechen oder invasive Sonden zu verwenden. Sie nutzten ein Virus, um spezifische Neuronen leuchten zu lassen, wenn sie aktiv wurden, und stimulierten dann das Auge der Maus mit einem Blitz aus ultraviolettem Licht. Das System erfasste die resultierenden Kalziumsignale – chemische Marker neuronaler Aktivität – in zwei verschiedenen Schichten von Neuronen gleichzeitig. Sie sahen, dass einzelne Neuronen unterschiedlich auf das Licht reagierten, wobei einige sofort feuerten und andere warteten, und sie sahen sogar, dass verschiedene Teile desselben Neurons gegensätzlich reagieren konnten. Dieses Detailniveau, das eine große Fläche der Retina abdeckt und in Echtzeit geschieht, bestätigt, dass das Auge als ein kraftvolles Fenster in das zentrale Nervensystem dienen kann. Die Methode erfordert sehr niedrige Lichtintensitäten, was das Risiko einer Schädigung des Auges verringert, und sie funktioniert ohne die sperrige, teure Hardware, die frühere Versuche begrenzt hat. Indem sie das Auge in ein klares Hochgeschwindigkeits-3D-Kino für das zelluläre Leben verwandeln, eröffnet dieser Ansatz einen neuen Weg, um zu erforschen, wie das Gehirn arbeitet und wie Krankheiten es stören.
Ertrinken Sie in Arbeiten in Ihrem Fachgebiet?
Erhalten Sie tägliche Digests der neuesten Arbeiten passend zu Ihren Forschungsbegriffen — mit technischen Zusammenfassungen, in Ihrer Sprache.