Multi-region two-photon calcium imaging in freely moving animals

Das Gehirn ist kein einzelnes, isoliertes Kontrollzentrum, sondern ein riesiges Netzwerk aus fernen Nachbarschaften, von denen jede spezifische Aufgaben übernimmt, während sie ständig miteinander kommunizieren. Um zu verstehen, wie komplexe Verhaltensweisen wie Laufen, Klettern oder Singen entstehen, müssen Wissenschaftler beobachten, wie diese fernen Nachbarschaften im Gleichklang feuern. Jahrzehntelang zwangen die verfügbaren Werkzeuge zur Beobachtung dieser Aktivität zu einer schwierigen Wahl. Forscher konnten entweder winzige Kameras verwenden, um ein einzelnes Hirnareal bei einem sich frei bewegenden Tier zu beobachten, oder sie konnten Elektroden nutzen, um viele Bereiche gleichzeitig „anzuhören“, doch die Elektroden beschädigten oft das Gewebe oder verloren im Laufe der Zeit den Kontakt zu denselben Zellen. Der Goldstandard für die Beobachtung einzelner Zellen in Aktion ist eine Technik namens Zwei-Photonen-Mikroskopie, die fokussiertes Licht nutzt, um mit unglaublicher Klarheit tief in lebendes Gewebe zu blicken. Die Ausrüstung, die für diese hochwertige Bildgebung erforderlich ist, war jedoch historisch gesehen zu schwer, als dass ein kleines Tier sie tragen konnte, was diese detaillierten Ansichten auf Tiere beschränkte, die entweder betäubt oder an eine stationäre Maschine gekoppelt waren.

Ein Forschungsteam hat nun eine Lösung entwickelt, die diese Gewichtsschranke durchbricht und es ermöglicht, die Arbeit der fernen Nachbarschaften des Gehirns in Echtzeit zu beobachten, während das Tier sich frei bewegt. Sie entwickelten ein neues Gerät, ein Miniaturmikroskop, das nur 1,1 Gramm wiegt – leicht genug, um von einer Maus oder sogar einem kleinen Singvogel getragen zu werden, ohne deren natürliches Verhalten zu beeinträchtigen. Indem die Wissenschaftler zwei dieser Geräte auf einem einzigen Tier montierten, konnten sie zum ersten Mal mit diesem Detailgrad gleichzeitig aus zwei separaten Hirnregionen aufzeichnen. Sie demonstrierten, dass dieser Aufbau geeignet ist, um zu untersuchen, wie die beiden Gehirnhälften während schwieriger körperlicher Aufgaben koordinieren, wie benachbarte Hirnregionen räumliche Informationen kodieren und wie die Gehirne junger Vögel das Singen lernen. Diese Arbeit öffnet ein Fenster zur koordinierten Aktivität verteilter neuronaler Schaltkreise und zeigt, dass die komplexen Gespräche des Gehirns in ihrem vollen, natürlichen Kontext beobachtet werden können.

Der Kern dieser Errungenschaft ist das Design des neuen Mikroskops selbst, das die Forscher MINI2P-II nennen. Frühere Versuche, Zwei-Photonen-Mikroskope zu verkleinern, führten oft zu einem Verlust der Bildqualität oder der Fähigkeit, tief in das Gehirn zu blicken. Das neue Gerät überwindet dies, indem es die Art und Weise überdenkt, wie Licht durch das Instrument reist. Anstatt viele separate Linsen und Spiegel zu verwenden, kombinierten die Designer mehrere Funktionen in einzelnen Komponenten und falteten die Lichtpfade so, dass sie denselben physischen Raum einnehmen. Sie ersetzten zudem schwere Metallteile durch leichte Kohlefaser-Materialien und verwendeten ein neues Typ von Glasfaserkabel, das das Laserlicht stabil hält, selbst wenn das Tier sich dreht und wendet. Das Ergebnis ist ein Gerät, das weniger als halb so viel wiegt wie seine Vorgänger, aber gleichzeitig schärfere Bilder, ein breiteres Sichtfeld und die Fähigkeit bietet, tiefer in das Hirngewebe einzudringen. Entscheidend ist, dass das Gerät modular ist, was bedeutet, dass verschiedene Teile ausgetauscht oder aufgerüstet werden können, ohne das gesamte System neu aufbauen zu müssen.

Um zu beweisen, dass dieses leichte Gerät die Gehirnaktivität während intensiver Bewegung erfassen kann, testeten die Forscher es an Mäusen, die eine anspruchsvolle körperliche Aufgabe ausführten. Sie trainierten Mäuse darauf, eine vertikale Leiter zu erklimmen, um eine Futterbelohnung zu erreichen – ein Verhalten, das eine präzise Koordination der Vorder- und Hinterbeine erfordert. Mit zwei MINI2P-II-Mikroskopen zeichneten sie gleichzeitig aus dem motorischen Kortex beider Gehirnhälften auf. Die Daten zeigten, dass die beiden Seiten des Gehirns sich nicht einfach nur spiegeln. Während des Kletterns ging die Aktivität auf der rechten Seite der Gehirnhälfte der Aktivität auf der linken Seite konsequent um einen Bruchteil einer Sekunde voraus, was auf eine spezifische Abfolge von Befehlen für diese komplexe Bewegung hindeutet. Darüber hinaus stellten sie bei der Betrachtung einzelner Zellen statt nur der durchschnittlichen Aktivität fest, dass spezifische Gruppen von Neuronen auf beiden Seiten des Gehirns während des Kletterns in engen Clustern gemeinsam feuerten, während andere Gruppen gegensätzlich feuerten. Diese komplizierten Koordinationsmuster wären unsichtbar geblieben, wenn man nur eine Gehirnhälfte betrachtet oder die Aktivität aller Zellen gemittelt hätte.

Die Forscher zeigten auch, dass diese Technologie verwendet werden kann, um Gehirnregionen zu untersuchen, die sehr nah beieinander liegen – eine Aufgabe, die mit zwei separaten Mikroskopen zuvor unmöglich war, da sich die Geräte am Kopf des Tieres physisch kollidiert hätten. Sie entwickelten eine neue optische Baugruppe, im Wesentlichen ein winziges Periskop aus spezialisierten Linsen und Prismen, das den Blick des Mikroskops seitlich und nach unten verschiebt. Dies ermöglichte es ihnen, zwei Mikroskope auf derselben Seite eines Mäusekopfes zu montieren und dennoch auf zwei verschiedene, benachbarte Hirnareale zu blicken. Mit diesem Aufbau zeichneten sie aus dem retrosplenialen Kortex und dem posterioren parietalen Kortex auf, zwei Regionen, die bekannt dafür sind, Tieren bei der Navigation in ihrer Umgebung zu helfen. Sie fanden heraus, dass zwar beide Regionen Zellen enthalten, die feuerten, wenn das Tier in der Nähe einer Wand war, die Zellen im retrosplenialen Kortex jedoch viel wahrscheinlicher feuerten, wenn die Wand auf der linken Seite des Tieres war, während die Zellen im parietalen Kortex eine ausgewogenere Reaktion auf Wände auf beiden Seiten zeigten. Dieser subtile Unterschied darin, wie die beiden Regionen die Welt kartieren, hätte ohne die gleichzeitige Aufzeichnung aus beiden Bereichen im selben Tier nicht entdeckt werden können.

Schließlich ermöglichte die extreme Leichtigkeit des Geräts dem Team, diese Studien auf viel kleinere Tiere und jüngere Entwicklungsstadien auszuweiten. Sie setzten die Mikroskope erfolgreich ein, um die Gehirne von Zebrafinken, einer kleinen Singvogelart, zu untersuchen. Bei erwachsenen Vögeln beobachteten sie, dass die Gehirnzellen, die für die Gesangskontrolle verantwortlich sind, ruhig blieben, während der Vogel mit einem Weibchen interagierte, aber in dem Moment, in dem der Vogel zu singen begann, explosionsartig aktiv wurden. Sie zeichneten auch von einem Jungvogel auf, der noch lernte zu singen. Bei diesen jungen Vögeln waren die Gehirnzellen bereits aktiv, während der Vogel noch nicht sang, was auf einen Zustand ständiger Übung und des Lernens hindeutet. Diese Detailtiefe bei einem frei beweglichen Jungvogel war zuvor unerreichbar, da ältere, schwerere Mikroskope für das kleine Tier zu belastend gewesen wären.

Der Erfolg dieses Projekts zeigt, dass die Grenzen von Gewicht und Größe bei neurowissenschaftlichen Werkzeugen nicht unüberwindbar sind. Durch die Kombination eines radikal neu gestalteten Mikroskops mit klugen optischen Zubehörteilen haben die Forscher einen neuen Weg geschaffen, das Gehirn bei der Arbeit zu beobachten. Sie haben gezeigt, dass die komplexen Verhaltensweisen des Gehirns aus dynamischen, koordinierten Gesprächen zwischen fernen und nahen Regionen entstehen – Gespräche, die nun beobachtet werden können, während sich die Tiere frei in ihrer Welt bewegen. Dieser Ansatz bietet eine leistungsstarke neue Linse, um zu verstehen, wie neuronale Schaltkreise sich entwickeln, wie sie lernen und wie sie versagen, und zwar ohne die natürlichen Verhaltensweisen zu stören, die die Wissenschaft verstehen möchte.