Computational aberration-corrected volumetric imaging of single retinal cell dynamics in the living eye
Dit artikel introduceert plenoptische illuminatie scannende laser-oftalmoscopie (PI-SLO), een snelle, breedveld 3D-beeldvormingsmodus die oogaberraties overwint om niet-invasieve volumetrische beeldvorming met single-cell resolutie van de retina-dynamiek in levende ogen mogelijk te maken.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Het menselijk oog is meer dan alleen een venster om de wereld te zien; het is het enige deel van het centrale zenuwstelsel waar artsen direct in kunnen kijken zonder chirurgie. Binnenin deze kleine, transparante bol ligt het netvlies, een dunne laag weefsel vol met neuronen, bloedvaten en immuuncellen die samenwerken om licht te verwerken. Omdat deze cellen zo klein zijn en zo dicht op elkaar gepakt zitten, is het bestuderen van hoe ze bewegen en met elkaar communiceren in een levend dier ongelooflijk moeilijk geweest. Traditionele camera's hebben moeite om diep in het oog te kijken omdat de eigen lens van het oog imperfect is en het beeld vervaagt, terwijl krachtige microscopen die individuele cellen kunnen zien vaak invasieve chirurgie vereisen of zo traag bewegen dat ze snelle biologische gebeurtenissen missen. Wetenschappers wilden al lang een manier vinden om deze kleine cellulaire gesprekken in realtime te bekijken, over een groot gebied, zonder het delicate weefsel te beschadigen.
Een team onderzoekers aan de Johns Hopkins University heeft een nieuwe manier ontwikkeld om precies dat te doen. Ze hebben een gespecialiseerd beeldvormingssysteem ontwikkeld dat fungeert als een hogesnelheids-, driedimensionale camera voor het levende oog. In plaats van te vertrouwen op complexe hardware om het wazige zicht van het oog fysiek te corrigeren, gebruikt hun systeem een slim trucje met licht en computerverwerking. Het apparaat schijnt licht vanuit veel licht verschillende hoeken in opeenvolgende snelle stappen in het oog. Terwijl het licht het netvlies raakt, exciteert het gloeiende cellen, en een sensor verzamelt het licht dat terugkaatst. Omdat het licht vanuit verschillende richtingen naar binnen komt, verschuift de positie van elke gloeiende cel lichtjes in de gevangen beelden, net zoals een boom eruitziet alsof hij beweegt wanneer je er langs loopt. Door deze verschuivingen vanuit tientallen hoeken in minder dan een seconde vast te leggen, kunnen de onderzoekers een computer gebruiken om precies te bepalen waar elke cel zich in de driedimensionale ruimte bevindt, waardoor de vervaging veroorzaakt door de imperfecties van het oog effectief wordt weggenomen.
Met deze methode, genaamd plenoptische illuminatie scannende ophthalmoscopie, kon het team het netvlies van een levende muis met ongekende details bekijken. Ze richtten zich op drie kerngebieden: de immuuncellen die het oog patrouilleren, de bloedvaten die het voeden, en de neuronen die visuele signalen verwerken. In de eerste reeks experimenten volgden ze de bewegingen van ongeveer honderd immuuncellen gedurende een periode van dertien minuten. Ze ontdekten dat deze cellen niet allemaal hetzelfde zijn; de cellen die zich nabij het oppervlak van het netvlies bevonden, bewogen veel actiever dan de cellen die dieper in het weefsel begraven lagen. Dit suggereert dat verschillende lagen van het netvlies verschillende soorten immuunactiviteit hebben, een detail dat voorheen onmogelijk duidelijk over zo'n groot gebied te zien was. Het systeem legde deze bewegingen vast met een snelheid van meer dan drieëntwintig volledige 3D-volumes per seconde, waardoor de onderzoekers de cellen in realtime hun kleine vertakkingen konden zien uitstrekken en intrekken.
De onderzoekers gebruikten het systeem ook om de doorbloeding door de drie verschillende lagen van de vaten in het netvlies in kaart te brengen. Door een onschadelijke fluorescerende kleurstof in de bloedbaan te injecteren, konden ze individuele bloedcellen door de haarvaten zien razen. De technologie stelde hen in staat om niet alleen de belangrijkste horizontale lagen van de bloedvaten te zien, maar ook de kleine verticale verbindingen die tussen deze lagen duiken, die normaal gesproken verborgen blijven voor het zicht. Ze maten de snelheid van de bloedstroom in deze minuscule vaten en vonden dat sommige met 0,68 millimeter per seconde bewogen, terwijl andere veel langzamer waren, met 0,12 millimeter per seconde. Dit vermogen om de doorstroming door het gehele netwerk tegelijkertijd te meten, biedt een compleet beeld van hoe het oog van zuurstof wordt voorzien, wat cruciaal is voor het begrijpen van ziekten zoals diabetes en glaucoom.
Misschien wel het meest significant was dat het team aantoonde dat ze de elektrische activiteit van de hersenen in het oog konden observeren zonder de beweging van het dier te stoppen of invasieve sondes te gebruiken. Ze gebruikten een virus om specifieke neuronen te laten oplichten wanneer ze actief werden, en stimuleerden vervolgens het oog van de muis met een flits van ultraviolet licht. Het systeem legde de resulterende calciumsignalen vast — chemische markers van neurale activiteit — in twee verschillende lagen van neuronen tegelijkertijd. Ze zagen dat individuele neuronen verschillend reageerden op het licht, waarbij sommigen onmiddellijk vuurden en anderen wachtten, en zagen zelfs dat verschillende delen van dezelfde neuron op tegenovergestelde manieren konden reageren. Dit niveau van detail, dat een groot gebied van het netvlies beslaat en in realtime gebeurt, bevestigt dat het oog kan dienen als een krachtig venster naar het centrale zenuwstelsel. De methode vereist zeer lage lichtniveaus, wat het risico op beschadiging van het oog vermindert, en het werkt zonder de omvangrijke, dure hardware die eerdere pogingen beperkte. Door het oog te veranderen in een heldere, hogesnelheids 3D-bioscoop voor cellulair leven, opent deze aanpak een nieuwe weg voor het bestuderen van hoe de hersenen werken en hoe ziekten deze verstoren.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.