Neurony stanowią główny magazyn kodujący informacje takie jak dane sensoryczne, plany motoryczne, stany emocjonalne oraz myśli. Gromadzenie i przekazywanie tych informacji odbywa się za pomocą impulsów elektrycznych, które powodują napływ jonów wapnia do wnętrza komórek nerwowych. Modyfikacja genetyczna białek wiążących wapń, prowadząca do uzyskania ich fluorescencji po związaniu ligandu umożliwia obserwacje zmian zachodzących w mózgu na skutek różnych przeżyć i sytuacji.

Przepływ impulsów nerwowych jest jednak bardzo szybki – sami wiemy jak gwałtownie warunkuje naszą reakcję np. impuls o konieczności odsunięcia ręki od dotkniętego gorącego przedmiotu. Do tej pory nie istniał sposób uzyskania obrazu pracy układu nerwowego z rozległego obszaru i w tak krótkim czasie, aby móc dokładnie przeanalizować zachodzące zmiany.

Skanowanie mózgu za pomocą wiązki laserowej generuje trójwymiarowy obraz aktywności neuronalnej, jednak ze względu na konieczność zeskanowania każdego punktu układu osobno, uzyskanie tego obrazu zajmuje bardzo dużo czasu. Nowa metoda miała na celu skrócenie tego procesu do milisekund, a więc do poziomu czasowego odpowiadającego trwaniu impulsu elektrycznego pomiędzy neuronami.

Podejście bazuje na powszechnie stosowanej technologii znanej jako obrazowanie pola światłem (ang. light-field imaging), która generuje obraz 3D dzięki pomiarowi kątów promieni światła. Światło emitowane przez próbkę jest przesyłane do odbiornika przez szereg soczewek załamujących promienie w różnych kierunkach. Dzięki takiemu podejściu każdy punkt analizowanej przestrzeni generuje około 400 różnych punktów świetlnych, których analiza z zastosowaniem specjalnie opracowanego algorytmu komputerowego pozwala odtworzyć strukturę 3D próbki. Naukowcy z MIT zoptymalizowali wykorzystywane wcześniej do tego typu analiz mikroskopy i zastosowali je po raz pierwszy do obrazowania aktywności neuronalnej mózgu.  

Pierwsze badania przeprowadzono na robaku Caenorhabditis elegans – organizmie modelowym, którego schemat sieci nerwowej jest dokładnie znany. Ten 1 milimetrowy organizm posiada 302 neurony, z których każdy został przeanalizowany przez naukowców podczas naturalnych zachowań robaka, takich jak np. przeszukiwanie otoczenia. Zaobserwowano również odpowiedź neuronów czuciowych na bodźce, w tym m.in zapachy. Analogiczne badania przeprowadzono na larwach danio pręgowanego analizując aktywność ich mózgów w różnych sytuacjach.

Jak mówi jeden z autorów badania: "obserwując aktywność jednego neuronu w mózgu nie jesteś w stanie powiedzieć w jaki sposób informacje są przetwarzane. Aby to określić musisz być w stanie zobaczyć co robią dalsze neurony. Krótko mówiąc, jeśli chcesz zrozumieć jak informacje są zintegrowane od odbioru aż do działania, musisz zobaczyć cały mózg". I to rzeczywiście się udało.

Nowe podejście wydaje się być bardzo obiecujące. Stwarza ono nie tylko szansę na przyspieszenie obrazowania 3D aktywności neuronalnej i jej korelacji z zachowaniami zwierząt, ale również może pozwolić zgromadzić więcej informacji o biologicznych uwarunkowaniach chorób mózgu. Tak naprawdę bowiem do tej pory nie są zidentyfikowane dokładne komórki lub sieci neuronów związane z zaburzeniami pracy mózgu. Poznanie ich prowadzić może do nowych pomysłów na leczenie określonych chorób.

Nic na świecie nie jest jednak idealne i nowa metoda ma również wady. Rozdzielczość mikroskopii nie jest bowiem tak wysoka jak chcieliby tego naukowcy. Umożliwia ona obrazowanie aktywności poszczególnych komórek układu nerwowego, jednak badacze chcą ją udoskonalić do tego stopnia, aby analizować fragmenty neuronów, takie jak np. długie dendryty rozgałęziające się z podstawowej struktury komórki. Kolejnym krokiem optymalizacji procesu jest przyspieszenie samej analizy komputerowej zbieranych zestawów danych. Obecnie trwa ona bowiem kilka minut. Celem jest skrócenie czasu do około sekundy. A wtedy...analizy jak największej ilości prób i poznanie tajników pracy układu nerwowego wielu organizmów.