Combining ultra-flexible electrodes with two-photon imaging to illuminate brain-wide neural dynamics
Diese Arbeit präsentiert einen kombinierten Ansatz unter Verwendung chronisch implantierten, ultra-flexiblen Elektroden und Zwei-Photonen-Kalzium-Imaging, um gleichzeitig subkortikale und kortikale neuronale Aktivität in Mäusen aufzuzeichnen, was die Untersuchung hirnweiter Dynamiken über langsame Hirnzustände und schnelle Ripple-Ereignisse hinweg 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
Stellen Sie sich das Gehirn als eine riesige, geschäftige Stadt vor, die niemals schläft. Um zu verstehen, wie diese Stadt funktioniert, müssen Wissenschaftler den Gesprächen lauschen, die in ihren verschiedenen Stadtvierteln stattfinden. Lange Zeit hatten Forscher zwei Hauptwege, um mitzuhören. Ein Weg war, als würde man ein superschnelles, hochtechnologisches Mikrofon an einer bestimmten Straßenecke platzieren; es konnte jedes einzelne gesprochene Wort (die Impulse einzelner Nervenzellen) mit unglaublicher Geschwindigkeit hören, war aber starr und konnte nur an einem winzigen Bereich gleichzeitig zuhören. Der andere Weg war, als würde man eine riesige, Zeitlupen-Drohnenkamera benutzen, um die gesamte Stadt von oben zu beobachten; sie konnte den Verkehrsfluss und die Stimmung ganzer Bezirke (Gruppen von Zellen) erfassen und sogar identifizieren, wer was für eine Art von Auto fährt (spezifische Zelltypen), aber sie konnte nicht die einzelnen Worte hören, die gesprochen wurden.
Die große Herausforderung war, dass diese beiden Werkzeuge nicht gut zusammenarbeiteten. Die starren Mikrofone waren zu sperrig und schwer zu platzieren, ohne die Sicht der Drohnenkamera zu blockieren, und sie erzeugten oft „Störungen“ oder Interferenzen, wenn das helle Licht der Drohne auf sie schien. Das bedeutete, dass Wissenschaftler wählen mussten: Entweder den schnellen, detaillierten Gesprächen in den tiefen Teilen der Stadt zuzuhören oder die langsame, großflächige Stimmung der Oberfläche zu beobachten, aber selten beides gleichzeitig. Zu verstehen, wie die tiefen, verborgenen Teile des Gehirns mit den Oberflächenteilen kommunizieren, ist entscheidend, da es uns hilft zu verstehen, wie wir lernen, uns Dinge merken und warum unser Gehirn manchmal krank wird.
In dieser Studie hat ein Team von Forschern ein brandneues Werkzeug entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Sie haben „ultraflexible Tentakel-Elektroden“ (UFTEs) erschaffen, die wie unglaublich dünne, weiche und biegsame Fäden aus einem speziellen Material sind. Stellen Sie sich diese wie geisterhafte, unsichtbare Angelleinen vor, die sanft in die tiefen, dunklen Tunnel des Gehirns hinabgelassen werden können, ohne das Wasser zu stören. Weil sie so weich und dünn sind, blockieren sie nicht die Sicht der Drohnenkamera, und sie sind so leise, dass das helle Licht der Kamera keine statischen Geräusche auf der Aufnahme verursacht.
Die Forscher testeten dieses neue Setup an Mäusen, die wach waren und sich bewegten. Sie pflanzten diese flexiblen Fäden tief in das Gehirn, um den Thalamus (eine Relaisstation), den Hippocampus (ein Gedächtniszentrum) und den Kortex (die äußere Schicht, in der das Denken stattfindet) abzuhören. Gleichzeitig verwendeten sie ein Zwei-Photonen-Mikroskop (die Drohnenkamera), um die Neuronen in der äußeren Schicht des Gehirns zu beobachten, die genetisch so verändert worden waren, dass sie leuchten, wenn sie aktiv sind.
Die Ergebnisse waren beeindruckend. Die flexiblen Fäden blieben über Wochen an ihrem Platz, sodass das Team dieselben einzelnen Nervenzellen immer wieder verfolgen konnte. Sie fanden heraus, dass diese Fäden fast keine Interferenzen durch das Licht des Mikroskops erzeugten; das „Rauschen“ war so winzig (etwa 3,7 Mikrovolt), dass es im Vergleich zu den echten Gehirnsignalen praktisch unsichtbar war. Dies ermöglichte es ihnen, das Gehirn auf eine Weise zu sehen, wie es zuvor nie möglich war: das schnelle, präzise Geplapper der tiefen Gehirnzellen zu hören, während sie gleichzeitig den leuchtenden, Zeitlupen-Tanz der Oberflächenzellen beobachteten.
Mit dieser kombinierten Sichtweise entdeckte das Team, wie verschiedene Teile des Gehirns miteinander kommunizieren, abhängig davon, was die Maus gerade tat. Wenn die Maus rannte oder aufmerksam war, schienen sich die tiefen Hirnareale und die Oberflächenbereiche auf eine spezifische, niedrigdimensionale Weise zu synchronisieren, fast wie ein Dirigent, der ein Orchester leitet. Wenn die Maus jedoch ruhte, änderte sich das Gespräch. Sie untersuchten auch „Ripples“ (Wellen), also sehr schnelle Aktivitätsschübe im Gedächtniszentrum. Sie fanden heraus, dass während dieser Ripples das Gedächtniszentrum zwar erregt wurde, die Relaisstation und die Oberfläche jedoch oft verstummten. Interessanterweise waren es genau die Zellen, die während dieser Ripples ruhig wurden, die sich aufregten, wenn die Maus rannte.
Diese Studie behauptet nicht, alle Geheimnisse des Gehirns gelöst zu haben, aber sie legt nahe, dass wir durch die Kombination dieser beiden mächtigen Zuhör- und Beobachtungswerzeuge endlich sehen können, wie die tiefen und flachen Teile des Gehirns als Team zusammenarbeiten. Die Forscher zeigten, dass diese neue Methode stabil und zuverlässig ist und die Tür dazu öffnet, die weitreichenden Netzwerke des Gehirns während des Lernens oder einer Krankheit zu untersuchen, ohne dass das übliche Rauschen und die Verwirrung im Weg stehen.
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