Potencjały czynnościowe są podstawową jednostką informacji w mózgu, a propagacja potencjału czynnościowego przez aksony stanowi jeden z filarów przetwarzania informacji1,2,3. Neurony zazwyczaj odbierają aferentne dane wejściowe z wielu innych neuronów i integrują te dane wejściowe w danym wąskim oknie czasowym4,5. W związku z tym mechanizmy propagacji potencjału czynnościowego w aksonach spotkały się ze znacznym zainteresowaniem badaczy.
Podczas propagacji przez akson, potencjał czynnościowy jest wielokrotnie regenerowany wzdłuż aksonu, aby zapewnić niezawodne propagację6. W większości neuronów kręgowców szczękowych (gnathostomów) aksony są otoczone osłonką mieliny, która jest substancją bogatą w lipidy wytwarzaną przez pobliskie oligodendrocyty lub komórki Schwanna, które są typami komórek glejowych (recenzja w7,8). Ta osłonka mielinowa izoluje elektrycznie akson, zmniejszając jego pojemność i umożliwiając wydajną, szybką i wydajną propagację potencjału czynnościowego przy mniejszym zużyciu energii. Mielina nie pokrywa aksonu równomiernie, ale otacza akson w segmentach, które mają krótkie przerwy między nimi, zwanych węzłami Ranviera (recenzja w9,10). Zarówno grubość mielinizacji, która kontroluje poziom izolacji elektrycznej aksonu, jak i odstępy między węzłami Ranviera, które kontrolują częstotliwość, z jaką potencjały czynnościowe są regenerowane wzdłuż aksonu, wpływają na szybkość propagacji potencjału czynnościowego (przejrzane w11).
Istnieje obszerna literatura sugerująca, że grubość mielinizacji wpływa na szybkość propagacji potencjału czynnościowego w aksonach12,13,14. Co więcej, zmiany w mielinizacji aksonów mogą powodować szereg deficytów OUN15,16,17,18,19,20,21. Nic więc dziwnego, że wiele wysiłków badawczych skupia się na pomiarze i charakterystyce mielinizacji aksonów. Pomiary grubości mieliny są najczęściej wykonywane za pomocą mikroskopii elektronowej, techniki, która wymaga znacznej ilości przygotowania tkanek i jest trudna do zastosowania w połączeniu z immunohistochemią. Istnieje jednak również szybsza i prostsza technika pomiaru mielinizacji aksonów, która opiera się na koherentnej spektroskopii Ramana Antystokesa (CARS). Laser CARS może być dostrojony do różnych częstotliwości, a po dostrojeniu do częstotliwości, które są odpowiednie do wzbudzania lipidów, mielina może być obrazowana bez potrzeby stosowania dodatkowych etykiet22. Obrazowanie lipidów można połączyć ze standardową immunohistochemią, dzięki czemu lipidy mogą być obrazowane razem z kilkoma kanałami fluorescencyjnymi23. Obrazowanie mielinizacji za pomocą CARS jest znacznie szybsze niż mikroskopia elektronowa, a jego rozdzielczość, choć niższa niż EM, jest wystarczająca do wykrycia nawet niewielkich różnic w mielinizacji w tym samym typie aksonów.