Устройство, известное как мини-микроскоп, предлагает новый важный инструмент для изучения того, как нейронная активность из нескольких областей внешней части мозга, называемой корой, влияет на поведение, познание и восприятие. Новаторское исследование дает новый взгляд на фундаментальные исследования, которые могут улучшить такие состояния мозга человека, как сотрясения мозга, аутизм, болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона, а также лучше понять роль мозга в развитии зависимости.
Исследование было опубликовано сегодня в рецензируемом журнале Nature Methods. Авторы исследования также представят свои исследования на виртуальном конгрессе OSA по биофотонике 2021 года: оптика в науках о жизни в четверг, 15 апреля.
В прошлом ученые изучали, как нейронная активность в определенных областях коры головного мозга влияет на поведение, но было трудно одновременно изучить активность нескольких областей коры головного мозга. Для мышей даже простая задача по перемещению одного уса в ответ на стимул включает обработку информации в нескольких областях коры. Мышей часто используют для изучения мозга, потому что они имеют те же структуры мозга и возможности взаимодействия, что и люди.
«Это устройство позволяет нам отображать большую часть мозга мыши во время свободного и неограниченного поведения, тогда как предыдущие мезомасштабные изображения обычно делались на неподвижных мышах с использованием таких устройств, как МРТ или двухфотонные микроскопы», – сказал Сухаса Кодандарамайя, старший автор исследования и университета.
Миннесоты Бенджамин Мэйхью Доцент кафедры машиностроения в Колледже науки и техники. «Это новое устройство позволяет нам понять, как различные области мозга взаимодействуют во время сложных форм поведения, когда несколько областей мозга работают вместе одновременно. Это открывает путь к исследованию того, как меняется связь при болезненных состояниях, черепно-мозговой травме или зависимости."
Новый мини-MScope – это флуоресцентный микроскоп, который может отображать область размером примерно 10 на 12 миллиметров и весит около 3 граммов.
Это позволяет получить целостное изображение большей части поверхности мозга мыши. Устройство используется для визуализации кальция, метода, обычно используемого для мониторинга электрической активности мозга. Устройство, установленное на голове мыши, фиксирует изображения на уровне, близком к клеточному, что позволяет изучать связи между областями коры головного мозга.
Исследователи создали миниатюрный микроскоп, используя светодиоды для освещения, миниатюрные линзы для фокусировки и дополнительный металл-оксид-полупроводник (CMOS) для захвата изображений. Он включает в себя блокирующие магниты, которые позволяют легко прикрепить его к структурно реалистичным 3D-печатным прозрачным полимерным черепам, известным как See-Shells, которые исследователи разработали в предыдущих исследованиях.
При имплантации мышам See-Shells создают окно, через которое можно проводить длительную микроскопию. Новый микроскоп может фиксировать мозговую активность мышей почти год.
Исследователи продемонстрировали мини-микроскоп, используя его для визуализации активности мозга мыши в ответ на визуальный стимул в глаз, вибрационный стимул на заднюю конечность и соматосенсорный стимул на ус. Они также создали функциональные карты связности мозга, когда мышь с налобным микроскопом взаимодействовала с другой мышью.
Они увидели, что внутрикортикальные связи увеличиваются, когда мышь участвует в социальном поведении с другой мышью.
«Наша команда создает набор инструментов, которые позволят нам получить доступ и взаимодействовать с большими частями коры головного мозга с высоким пространственным и временным разрешением», – сказал Мэтью Райнс, доктор биомедицинских технологий Университета Миннесоты.D. кандидат, который был одним из руководителей исследования. «Это исследование показывает, что мини-MScope можно использовать для изучения функциональной связи у свободно ведущих мышей, что делает его важным вкладом в этот инструментарий», – добавил Райнс.
Команде пришлось преодолеть несколько инженерных проблем, чтобы создать устройство.
«Чтобы отобразить мозг у свободно ведущих мышей, устройство должно быть достаточно легким, чтобы его могли поддерживать и переносить мыши», – сказал Дэниел Суринак, недавний выпускник магистратуры по машиностроению Университета Миннесоты, который также был одним из руководителей исследования. «В рамках этого небольшого диапазона нам также необходимо было оптимизировать разрешение оптики, электрического оборудования и оборудования для обработки изображений, фокусировку, дизайн освещения, чтобы обеспечить свет для мозга для визуализации, и другие элементы, чтобы получить четкие изображения мозга мыши при естественном и энергичном поведении. В итоге мы разработали и протестировали более 175 уникальных прототипов, чтобы довести готовое устройство до рабочего состояния!"
Теперь исследователи используют мини-микроскоп для изучения того, как корковые связи меняются в различных поведенческих парадигмах, таких как исследование нового пространства. Они также работают с коллегами, которые используют мини-микроскоп для изучения того, как изменяется активность коры головного мозга, когда мыши осваивают сложные двигательные задачи.
«Это устройство позволяет нам изучать мозг способами, которые мы никогда раньше не могли делать», – сказал Кодандарамайя, который также посещает кафедру биомедицинской инженерии и Медицинскую школу Университета Миннесоты. "Например, мы можем изобразить активность мозга мыши, когда она приливы и отливы во время естественного движения в ее пространстве, когда она засыпает и когда просыпается. Это дает много ценной информации, которая поможет нам лучше понять работу мозга, чтобы помочь людям с заболеваниями или травмами улучшить свою жизнь."
Исследователи заявили, что следующие шаги – улучшить разрешение изображения и изучить мозг в более мелких деталях, вплоть до изучения отдельных нейронов.