A transparent miniscope-integrated ultrasound platform enables concurrent focused neuromodulation and wide-field imaging in freely moving mice
Dieses Paper stellt SonoMod vor, eine Open-Source-, transparente Miniscope-integrierte Plattform, die durch die Nutzung eines neuartigen optisch transparenten Wandler- und Linsensystems eine gleichzeitige fokussierte Ultraschall-Neuromodulation und Weitfeld-Kalziumbildgebung bei frei beweglichen Mäusen ermöglicht.
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 das Gehirn zu verstehen, müssen Wissenschaftler oft zwei Dinge gleichzeitig tun: Sie müssen einen spezifischen Teil eines neuronalen Schaltkreises sanft stimulieren, um zu sehen, wie er reagiert, und sie müssen das gesamte Netzwerk beobachten, das als Reaktion darauf aufleuchtet. Jahrzehntelang war es schwierig, diese beiden Aufgaben in einem lebenden, sich bewegenden Tier zu kombinieren. Die Werkzeuge, die zur Stimulation des Gehirns verwendet werden, wie etwa der fokussierte Ultraschall, waren traditionell sperrig und undurchsichtig, was die Sicht blockierte, die Kameras benötigen, um die Aktivität des Gehirns zu erfassen. Umgekehrt erfordern die winzigen Kameras, mit denen das Feuern von Neuronen beobachtet wird, meist, dass das Tier unbeweglich bleibt und der Kopf fixiert ist, was die Untersuchung natürlichen Verhaltens verhindert. Dies schafft eine Wissenslücke, da Forscher nicht in der Lage sind, zu sehen, wie sich die komplexen Schaltkreise des Gehens in Echtzeit verändern, wenn ein Tier frei beweglich ist, erkundet und mit seiner Welt interagiert.
Ein Forschungsteam hat diese Lücke nun geschlossen, indem es ein Gerät entwickelt hat, das es ermöglicht, das Gehirn gleichzeitig zu stimulieren und zu beobachten, während eine Maus frei läuft. Sie bauten ein leichtes, transparentes Headset, das eine Miniaturkamera mit einem speziellen Ultraschallgenerator kombiniert. Dieses Gerät, das sie SonoMod nannten, sitzt wie ein kleiner Rucksack auf dem Kopf der Maus. Es nutzt Schallwellen, um gezielt bestimmte Bereiche des Gehirns sanft zu stimulieren, während eine Kamera durch dasselbe transparente Fenster blickt, um die resultierende Aktivität über die gesamte Oberfläche des Gehirns aufzuzeichnen. Der Durchbruch liegt darin, den schallerzeugenden Teil des Geräts durchsichtig zu machen, sodass Licht genauso leicht durch ihn dringen kann wie Schall, damit die Kamera niemals die Sicht verliert.
Der Kern dieser Erfindung ist ein transparenter Ultraschallwandler, eine Scheibe, die Schallwellen erzeugt, aber aus einem klaren Kristallmaterial besteht statt aus dem üblichen undurchsichtigen Metall oder Keramik. Um diese Schallwellen auf einen präzisen Punkt tief im Gehirn zu fokussieren, haben die Forscher eine maßgeschneiderte Linse vor die Scheibe gesetzt. Diese Linse ist so dünn und klar, dass sie das Bild für die Kamera nicht verschwommen erscheinen lässt. Die Forscher nutzten fortschrittlichen 3D-Druck, um die Linse mit mikroskopischer Präzision zu formen und ein Muster auf ihrer Oberfläche zu erzeugen, das die Schallwellen in einen engen Strahl biegt, ohne das durch das Material wandernde Licht zu verzerren. Sie füllten zudem den Spalt zwischen der Linse und dem Schädel der Maus mit einem speziellen Öl, das der Art und Weise entspricht, wie sowohl Licht als auch Schall durch die Materialien wandern, um sicherzustellen, dass weder das Bild noch der Schall gestreut oder verloren gehen.
Die gesamte Baugruppe ist so konzipiert, dass sie modular und austauschbar ist. Die Forscher entwickelten verschiedene Versionen der Linse, die schnell ausgetauscht werden können, sodass unterschiedliche Regionen des Gehirns angesteuert werden können, ohne für jedes Experiment ein neues Gerät bauen zu müssen. Eine Version der Linse fokussiert den Schall auf den sekundären motorischen Kortex, ein Bereich, der an der Planung von Bewegungen beteiligt ist, während eine andere Version den retrosplenialen Kortex anvisiert, der wichtig für das Gedächtnis und die Navigation ist. Das Gerät ist klein genug, dass es der Maus nur etwa 3,2 Gramm hinzufügt – ein Gewicht, das das Tier problemlos tragen kann, ohne sein natürliches Verhalten zu verändern. Es lässt sich an ein Standard-Open-Source-Kamerasystem anschließen, das in den Neurowissenschaften weit verbreitet ist, wodurch die Technologie auch ohne spezialisierte, teure Ausrüstung für andere Labore zugänglich wird.
In ihren Tests platzierten die Forscher das Gerät auf Mäusen, die wach waren und sich frei bewegten. Zuerlich bestätigten sie, dass die Kamera durch die transparente Linse klar sehen konnte und detaillierte Bilder von Blutgefäßen und Gehirnaktivität über ein weites Gebiet lieferte, das fast die gesamte Oberseite des Gehirns abdeckte. Dann nutzten sie das Gerät, um gezielte Ultraschallimpulse an spezifische Zielorte abzugeben. Als sie den motorischen Kortex stimulierten, zeichnete die Kamera sofort einen Anstieg der Aktivität in genau diesem Bereich auf, während andere Teile des Gehirns ruhig blieben. Dies bewies, dass der Schall nur das beabsichtigte Ziel traf und nicht versehentlich das gesamte Gehirn stimulierte.
Die Studie enthüllte auch, wie das Gehirn zwischen seinen beiden Hälften kommuniziert. Als die Forscher den motorischen Kortex auf einer Seite stimulierten, registrierte die Kamera ein Signal, das Bruchteile einer Sekunde später zum entsprechenden Bereich auf der gegenüberliegenden Seite des Gehirns wanderte. Diese Art der Weitwinkelansicht ist etwas, das ältere, punktuelle Aufzeichnungsmethoden nicht erfassen konnten, da sie immer nur einen winzigen Punkt zur Zeit betrachten. Die Forscher prüften zudem, ob das Gerät sicher für die Tiere war, indem sie den durch die Schallwellen verursachten Temperaturanstieg maßen und feststellten, dass dieser vernachlässigbar gering war und weit unter dem Niveau lag, das das Hirngewebe schädigen könnte.
Durch die Kombination von fokussierter Stimulation mit einer Weitwinkelansicht des Gehirns in einem frei beweglichen Tier bietet diese neue Plattform eine leistungsstarke Möglichkeit, die Funktionsweise neuronaler Schaltkreise unter realen Bedingungen zu untersuchen. Sie ermöglicht es Wissenschaftlern, Fragen darüber zu stellen, wie spezifische Hirnregionen das Verhalten beeinflussen und wie Signale zwischen verschiedenen Teilen des Gehirns übertragen werden, während das Tier das tut, was es am besten kann: sich bewegen und die Umgebung zu erkunden. Die Forscher stellten die Designs für das Gerät der Öffentlichkeit zur Verfügung, in der Hoffnung, dass dieser offene Ansatz dazu beitragen wird, dass andere auf ihrer Arbeit aufbauen und die Geheimnisse des Gehirns weiter entschlüsseln können.
Ertrinken Sie in Arbeiten in Ihrem Fachgebiet?
Erhalten Sie tägliche Digests der neuesten Arbeiten passend zu Ihren Forschungsbegriffen — mit technischen Zusammenfassungen, in Ihrer Sprache.