Представьте, как мозг управляет своими ресурсами: когда нервные клетки активно работают, они посылают сигнал кровеносным сосудам — «требуется больше энергии». Сосуды в ответ расширяются, усиливая приток крови. Эта тонкая и мгновенная координация между нейронами и сосудами называется нейроваскулярной связью. Она — основа нашей способности думать, чувствовать и взаимодействовать с миром. Более того, именно на этом принципе строятся современные неинвазивные нейроинтерфейсы, которые, например, позволяют силой мысли управлять роботизированной рукой или курсором на экране.

Однако долгое время у ученых не было инструмента, чтобы рассмотреть этот танец нейронов и сосудов в деталях и в масштабе всей поверхности мозга. Существующие технологии либо не могли заглянуть достаточно далеко, либо не хватало скорости и четкости изображения.

Группа ученых под руководством профессоров Чжэн Хайжуна, Лю Чэнбо и Чжэн Вэя из Шэньчжэньского института передовых технологий Китайской академии наук нашла решение. Они создали гибридный микроскоп на основе линейного массива преобразователей, который они назвали LiTA-HM. Эта система позволяет одновременно, в реальном времени и с высочайшей детализацией наблюдать за активностью отдельных нейронов и мельчайших сосудов по всей коре головного мозга у бодрствующих мышей.

Подробности опубликованы в издании Science Advances.

Как им это удалось? Сначала они разработали сверхбыструю сканирующую систему на основе вращающегося полигонального зеркала для фотоакустической микроскопии. Это значительно повысило скорость съемки, не жертвуя стабильностью. Затем они оптимизировали оптические пути, добившись равномерного разрешения в 6 микрометров на огромном участке в 6.5 миллиметров. Это как получить идеально четкую картинку на всей площади большого экрана.

Сердцем системы стала уникальная конструкция из восьми чувствительных датчиков-преобразователей, которые охватывают область в 6 мм. Ключевая инновация в том, что сканирующий элемент работает в воздухе, что избавило от необходимости использовать мешающие акустические среды и сохранило все преимущества скорости. Чтобы картинка была кристально чистой, ученые также создали специальный алгоритм обработки данных. Он умно усредняет сигналы и убирает помехи от датчиков, dramatically повышая соотношение сигнал/шум.

В результате получился прибор, который открывает окно в динамичный мир мозга. Он может:

• Показывать сеть мельчайших капилляров и тела отдельных нейронов across всей поверхности коры.
• Обеспечивать разрешение в 6 микрометров на участке 6 на 5 миллиметров.
• Делать 1.25 кадра в секунду, что позволяет следить за процессами в реальном времени.

Применяя LiTA-HM в экспериментах с бодрствующими мышами, исследователи продемонстрировали его мощь в изучении моделей мозговых заболеваний и функциональной активности. Эта технология открывает новые горизонты для нейронауки и представляет собой перспективный инструмент для сбора данных в неинвазивных мозго-компьютерных интерфейсах.

Реальная польза этого исследования выходит далеко за рамки фундаментальной науки.

• Во-первых, оно может кардинально ускорить разработку и калибровку мозго-компьютерных интерфейсов (BCI). Понимая, как в точности выглядит «сигнал» от нейронов на уровне кровотока, мы сможем создавать более точные и надежные алгоритмы для декодирования мысленных команд. Это прямой путь к созданию более совершенных протезов, систем коммуникации для полностью парализованных людей или даже новых методов нейрореабилитации после инсульта.
• Во-вторых, эта технология — мощнейший инструмент для фармакологии и нейробиологии заболеваний. Мы сможем в реальном времени наблюдать, как экспериментальные лекарства от болезни Альцгеймера, рассеянного склероза или последствий ишемии влияют на микроциркуляцию и нейронную активность по всему мозгу. Это позволит точечно оценивать эффективность терапии и понимать сами механизмы развития патологий, что сегодня сделать крайне сложно.

Основное критическое замечание, которое требует дальнейшего изучения, — это переход от экспериментов на мышах к клиническим применениям на человеке. Череп мыши значительно тоньше и пропускает больше света и ультразвука, чем массивная кость человеческого черепа. Хотя технология фотоакустической микроскопии потенциально применима к людям (например, интраоперационно или для детей с открытым родничком), достижение такого же высокого пространственного разрешения и поля обзора через взрослую черепную коробку остается огромной технической проблемой. Таким образом, прежде чем говорить о практическом применении LiTA-HM в медицине, необходимо доказать, что метод может быть масштабирован и адаптирован для работы в анатомических условиях человека.

Ранее ученые остановили редкую болезнь благодаря пересадке костного мозга.