Pesquisadores da Universidade Rockefeller redesenharam com sucesso uma plataforma de microscopia de três fótons para capturar a atividade neuronal em regiões profundas do cérebro de camundongos vivos. Liderada por Alipasha Vaziri, PhD, chefe do Laboratório de Neurotecnologia e Biofísica, a equipe desenvolveu um sistema conhecido como Imageamento Ultra-Profundo de Três Fótons (TrUDI). Este avanço permite o registro da atividade de populações neurais em profundidades de aproximadamente 2 mm sem a necessidade de remover cirurgicamente o córtex que normalmente obscurece estruturas mais profundas.
O estudo, intitulado "Imageamento ultra-profundo de três fótons com resolução celular (TrUDI) da atividade de população neuronal a 2 mm de profundidade no cérebro de mamíferos", foi publicado na Nature Methods. Ao otimizar os parâmetros do laser, ópticos e de aquisição, a nova plataforma gera aproximadamente 250 vezes mais fótons de fluorescência detectados na mesma potência do laser em comparação com abordagens anteriores. Este aumento significativo no sinal permite registros com resolução de célula única que anteriormente eram inatingíveis em tais profundidades.
Vaziri explicou que a equipe adotou uma "abordagem de folha em branco" em vez de aderir a limitações históricas relacionadas a lasers específicos ou parâmetros. Embora a microscopia de três fótons inerentemente produza menos fluorescência de fundo do que os métodos de dois fótons, alcançar profundidade de sinal suficiente requer pulsos de laser energéticos que correm o risco de aquecer e danificar o tecido se a potência média for aumentada indiscriminadamente. Registros funcionais anteriores usando esta técnica haviam alcançado apenas aproximadamente 1,2 mm, ficando aquém do limite teórico de mais de 2 mm.
Para superar essas barreiras, os pesquisadores utilizaram modelos computacionais para orientar mudanças coordenadas no laser e na óptica. O sistema TrUDI alinha os parâmetros do laser de excitação, o sistema óptico e as configurações de aquisição tanto aos limites lineares quanto não lineares para exposição segura ao laser, atendendo simultaneamente aos requisitos espaço-temporais para imageamento de cálcio com resolução de célula única. Além disso, a equipe desenvolveu um esquema de excitação direcionado a neurônios que ativa o laser apenas ao varrer células identificadas.
Essas otimizações sistemáticas aumentaram o sinal de fluorescência disponível para registrar atividade transitória em neurônios individuais. Testes realizados em camundongos demonstraram registros sobre campos de visão medindo aproximadamente 230 por 230 µm² a uma taxa de 8,6 Hz, alcançando com sucesso profundidades de cerca de 2 mm no córtex e hipocampo do camundongo. Este progresso expande o acesso a circuitos neurais que anteriormente exigiam remoção invasiva de tecido para imageamento óptico.
Apesar desse avanço, Vaziri observou que nem toda estrutura cerebral profunda é agora acessível. Certas regiões do estriado permanecem fora de alcance, e vários núcleos cerebrais profundos localizados ainda mais profundamente continuam exigindo abordagens invasivas. O trabalho demonstra principalmente como a otimização coordenada pode aproximar o imageamento de três fótons de seu limite fundamental de profundidade, preservando ao mesmo tempo a integridade do tecido acima das regiões estudadas.