Computational aberration-corrected volumetric imaging of single retinal cell dynamics in the living eye
本論文は、眼内の眼球収差を克服し、生体眼における網膜ダイナミクスの非侵襲的な単一細胞解像度でのボリュームイメージングを可能にする、高速かつ広視野な3次元イメージング手法であるプレノプティック照明走査レーザー検眼法（PI-SLO）を導入するものである。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
人間の目は単に世界を見るための窓であるだけでなく、医師が手術なしで直接中を覗き込むことができる唯一の中枢神経系の一部です。この小さく透明な球体の中には、光を処理するために協力して働くニューロン、血管、免疫細胞が詰まった薄い組織の層である網膜が存在します。これらの細胞は非常に小さく、極めて密に詰まっているため、生きている動物の中でそれらがどのように動き、互いに通信しているのかを研究することは非常に困難でした。従来のカメラは、目自身のレンズが不完全で画像をぼやけさせてしまうため、目の深部を見るのに苦労してきました。一方で、個々の細胞を見ることができる強力な顕微鏡は、侵襲的な手術を必要としたり、動作が非常に遅かったりするため、素早い生物学的イベントを見逃してしまったりすることがあります。科学者たちは、デリケートな組織を傷つけることなく、広範囲にわたって、これらの微細な細胞レベルの会話がリアルタイムでどのように起きているのかを観察する方法を長らく求めてきました。
ジョンズ・ホプキンス大学の研究チームは、まさにそれを実現する新しい方法を開発しました。彼らは、生きている目のための高速な三次元カメラとして機能する、特殊なイメージングシステムを作り上げました。このシステムは、複雑なハードウェアを用いて目のぼやけた視力を物理的に補正する代わりに、光とコンピュータ処理を用いた巧妙なトリックを使用しています。この装置は、多くのわずかに異なる角度から、連続して目に光を照射します。光が網膜に当たると、光る細胞を励起させ、センサーが跳ね返ってくる光を収集します。光がさまざまな方向から入ってくるため、光る各細胞の位置は、まるで歩いている時に木が動いて見えるかのように、捉えられた画像の中でわずかに変化します。研究者たちは、数十の角度からのこれらの変化を1秒足らずで捉えることで、コンピュータを使用してすべての細胞が三次元空間のどこにあるかを正確に特定することができ、目の不完全さによって生じるぼやけを効果的に取り除くことができます。
「プレノプティック照明走査光眼底検査法（plenoptic illumination scanning light ophthalmoscopy）」と呼ばれるこの手法を用いて、チームはマウスの生体網膜をかつてない詳細さで観察することに成功しました。彼らは、目をパトロールする免疫細胞、目に栄養を送る血管、そして視覚信号を処理するニューロンという3つの主要な領域に焦点を当てました。最初の実験セットでは、約100個の免疫細胞の動きを13分間にわたって追跡しました。その結果、これらの細胞はすべて同じではないことが分かりました。網膜の表面に近い細胞は、組織のより深い場所に埋もれている細胞よりも、はるかに活発に動き回っていました。これは、網膜の異なる層が異なる種類の免疫活動を持っていることを示唆しており、これまでこれほど広い範囲で明確に観察することは不可能だった詳細です。このシステムは、23ボリューム以上の完全な3Dボリュームを毎秒以上でキャプチャし、研究者が細胞がその小さな枝を伸ばしたり縮めたりする様子をリアルタイムで見ることを可能にしました。
研究者たちはまた、このシステムを使用して、網膜の3つの異なる血管層を通る血流をマッピングしました。血流に無害な蛍光色素を注入することで、個々の血球が毛細血管の中を猛スピードで駆け抜ける様子を観察することができました。この技術により、主要な水平方向の血管層だけでなく、通常は見えない、これらの層の間を潜り抜ける小さな垂直方向の接続も見ることができました。彼らはこれらの微細な血管における血流速度を測定し、あるものは毎秒0.68ミリメートルで動き、別のものは毎秒0.12ミリメートルと非常に遅い速度であることを発見しました。ネットワーク全体における流れを一度に測定できるこの能力は、糖尿病や緑内障といった疾患を理解する上で極めて重要となる、目に酸素がどのように供給されているかについての完全な姿を提供します。
おそらく最も重要なことに、チームは、動物の動きを止めたり侵襲的なプローブを使用したりすることなく、目のなかで起きている脳の電気活動を観察できることを実証しました。彼らはウイルスを使用して、特定のニューロンが活性化したときに光るようにし、その後、マウスの目に紫外線フラッシュで刺激を与えました。システムは、その結果生じるカルシウム信号（神経活動の化学的マーカー）を、2つの異なる層のニューロンで同時に捉えました。彼らは、個々のニューロンが光に対して異なる反応を示すこと、つまり、あるニューロンは即座に発火し、別のニューロンは待機するという現象や、さらには同一のニューロンの異なる部分が反対の反応を示すことさえも目にしました。広範囲をカバーし、リアルタイムで行われるこのレベルの詳細さは、目が中枢神経系への強力な窓となり得ることを裏付けています。この手法は非常に低い光レベルを必要とするため、目にダメージを与えるリスクを軽減でき、また、これまでの試みを制限してきたかさ高い高価なハードウェアを必要としません。目を細胞の生命が繰り広げられるクリアで高速な3Dシアターへと変えることで、このアプローチは、脳がどのように機能し、疾患がどのようにそれを妨げるのかを研究するための新たな道を切り開いています。
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