SPOUT: An open-source hardware and software platform to study decision making while manipulating and recording from neural activity
Das Paper stellt SPOUT vor, eine quelloffene, erschwingliche Hardware- und Softwareplattform, die präzise neuronale Aufzeichnung und optogenetische Manipulation mit flexiblen Entscheidungsaufgaben kombiniert, um die neuronalen Mechanismen des Verhaltens bei am Kopf fixierten Mäusen zu untersuchen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Um zu verstehen, wie eine Maus entscheidet, nach links oder rechts abzubiegen, müssen Wissenschaftler mehr tun, als das Tier nur zu beobachten. Sie müssen die elektrische Aktivität des Gehirns im exakten Moment einer Entscheidung sehen können und sie in der Lage sein, diese Aktivität sanft zu beeinflussen, um zu sehen, was passiert. Dies erfordert ein empfindliches Gleichgewicht: Das Tier muss ruhig genug sein, damit Hochleistungsmikroskope einzelne Gehirnzellen sehen können, aber gleichzeitig frei genug in der Bewegung seines Kopfes und seiner Zunge, um eine Aufgabe auszuführen. Jahrzehntelang hatten Forscher damit gekämpft, ein System zu entwickeln, das das Gehirn aufzeichnet, das Verhalten steuert und präzise Lichtsignale in das Gehirn sendet – und das alles bei perfekter zeitlicher Abstimmung. Wenn die Uhr, die das Verhalten misst, auch nur minimal von der Uhr abweicht, die das Gehirn aufzeichnet, wird es unmöglich, die Verbindung zwischen Handlung und Gedanke zu entschlüsseln.
Ein Team der Harvard Medical School hat nun ein neues Werkzeug entwickelt, um dieses Problem zu lösen, indem es ein vollständiges, Open-Source-System namens SPOUT erschaffen hat. Der Name steht für „State-machine Platform for Operant Uni/dual-spout Tasks“, aber in der Praxis ist es eine vielseitige Maschine, die es Mäusen ermöglicht, Entscheidungsrätsel zu lösen, während Wissenschaftler ihre Gehirne in Echtzeit beobachten. Das System ist so konzipiert, dass es erschwinglich und einfach zu bedienen ist, indem es teure, maßgeschneiderte Aufbauten durch eine Sammlung von Standardteilen ersetzt, die jedes Labor zusammenbauen kann. Das Herzstück ist ein kleiner Computerchip, der als Dirigent fungiert und die Abgabe von Wasserbelohnungen, die Aufzeichnung von Zungenbewegungen und das Aussenden von Lichtstrahlen in das Gehirn koordiniert – alles mit einer Präzision, die im Millionstel einer Sekunde gemessen wird.
Die Forscher testeten dieses System, indem sie Mäuse ein einfaches Spiel beibrachten. Die Maus sitzt mit dem Kopf ruhig vor zwei kleinen Röhren. Ein Ton ertönt, und die Maus muss entscheiden, ob sie entweder die linke oder die rechte Röhre leckt, um einen Tropfen Wasser zu erhalten. Der Trick dabei ist, dass der Ton der Maus nicht verrät, welche Röhre die richtige ist; stattdessen ändert sich die korrekte Röhre alle paar Durchgänge ohne Vorwarnung. Die Maus muss das Muster erkennen, indem sie sich merkt, welche Wahl zu einer Belohnung führte und welche nicht. Mithilfe von SPOUT beobachtete das Team, wie die Mäuse dieses Spiel über viele Tage hinweg lernten. Zu Beginn raten die Mäuse noch zufällig, aber mit zunehmender Erfahrung lernen sie, ihre Wahl unmittelbar nach einem Fehler zu ändern und an einer gewinnbringenden Seite festzuhalten. Das System zeichnete jeden einzelnen Leckvorgang mit einer solchen Genauigkeit auf, dass die Forscher den exakten Moment sehen konnten, in dem sich das Verhalten der Maus von Verwirrung zu Zuversicht änderte.
Um zu beweisen, dass das System auch das Gehirn steuern kann, nutzten die Wissenschaftler eine Technik namens Optogenetik, die es ermöglicht, spezifische Gehirnzellen mit Licht ein- oder auszuschalten. Sie konzentrierten sich auf eine Region des Gehirns namens anteriorer lateraler motorischer Kortex, ein Bereich, der bekannt dafür ist, an der Planung von Bewegungen beteiligt zu sein. Als sie ein blaues Licht in diesen Teil des Gehirns blitzten, während die Maus kurz vor einer Entscheidung stand, änderte sich das Verhalten der Maus sofort. Wenn das Licht die Seite des Gehirns traf, die die rechte Körperseite steuert, hörte die Maus plötzlich auf, die rechte Röhre zu lecken, und begann stattdessen die linke zu lecken. Dies geschah nur, wenn das Licht an war, und der Effekt verschwand, sobald das Licht ausgeschaltet wurde, was zeigte, dass das System den Planungsprozess des Gehirns präzise unterbrechen und beobachten konnte, wie die Entscheidung des Tieres in Echtzeit zerfällt.
Die Forscher kombinierten diesen Aufbau außerdem mit einem leistungsstarken Mikroskop, um Bilder der Gehirnzellen zu machen, während die Mäuse das Spiel spielten. Da das System die Zeit perfekt einhält, konnten sie den exakten Moment, in dem eine Maus eine Röhre leckte, mit der Aktivität von Tausenden von Neuronen im Gehirn abgleichen. Sie fanden heraus, dass die Gehirnzellen viel stärker feuerten, wenn eine Maus auf der gegenüberliegenden Seite des stimulierten Hirnareals leckte, als wenn sie auf derselben Seite leckte. Dies bestätigte, dass diese spezifischen Gehirnzellen aktiver sind, wenn das Tier eine Bewegung in eine bestimmte Richtung vorbereitet. Die Fähigkeit des Systems, das Verhalten, die Lichtstimulation und die Bildgebung des Gehirns mit solcher Präzision zu synchronisieren, ermöglichte es dem Team, diese Muster klar zu sehen – etwas, das mit älteren, weniger synchronisierten Geräten unmöglich gewesen wäre.
Was diese Arbeit besonders bedeutsam macht, ist nicht nur die Entdeckung über Mäusegehirne, sondern das Werkzeug selbst. Die Forscher stellten alle Baupläne, Codes und Anweisungen zum Bau von SPOUT der Öffentlichkeit kostenlos zur Verfügung. Sie zeigten, dass ein komplexes, hochpräzises neurowissenschaftliches Experiment nicht zehntausende Dollar kosten oder ein Team von Ingenieuren erfordern muss, um gebaut zu werden. Durch die Verwendung eines Standard-Mikrocontrollers und handelsüblicher Teile schufen sie eine Plattform, die robust genug ist, um tausende von Sitzungen zu laufen, ohne kaputtzugehen. Das System ist flexibel gestaltet, sodass Wissenschaftler die Regeln des Spiels oder die Art der Gehirnaufzeichnung ändern können, ohne die zugrunde liegende Software neu schreiben zu müssen. Diese Offenheit bedeutet, dass Labore auf der ganzen Welt nun dieselben Experimente mit demselben Maß an Präzision durchführen können, was es einfacher macht, Ergebnisse zu vergleichen und ein gemeinsames Verständnis darüber aufzubauen, wie das Gehirn Entscheidungen trifft.
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass SPOUT ein zuverlässiger und zugänglicher Weg ist, um die Verbindung zwischen Gehirnaktivität und Verhalten zu untersuchen. Es hat erfolgreich demonstriert, dass Mäuse komplexe Regeln basierend auf vergangenen Belohnungen lernen können, dass spezifische Hirnregionen vorübergehend stummgeschaltet werden können, um diese Entscheidungen zu verändern, und dass die resultierende neuronale Aktivität mit hoher Treue aufgezeichnet werden kann. Die Forscher behaupteten nicht, das Rätsel der Entscheidungsfindung gelöst zu haben, aber sie lieferten einen klaren, reproduzierbaren Weg, um die Frage zu stellen. Indem sie die technischen Barrieren beseitigten, die viele Labore bisher von dieser Art der Arbeit abgehalten haben, hat das Team die Tür für eine breitere Gemeinschaft von Wissenschaftlern geöffnet, um zu erforschen, wie das Gehirn Handlungen steuert – ein präzises Lecken nach dem anderen.
Ertrinken Sie in Arbeiten in Ihrem Fachgebiet?
Erhalten Sie tägliche Digests der neuesten Arbeiten passend zu Ihren Forschungsbegriffen — mit technischen Zusammenfassungen, in Ihrer Sprache.