A transparent miniscope-integrated ultrasound platform enables concurrent focused neuromodulation and wide-field imaging in freely moving mice
Este artículo presenta SonoMod, una plataforma de código abierto y transparente integrada con miniscopio que permite la neuromodulación por ultrasonido focalizado y la imagen de calcio de campo amplio de forma concurrente en ratones en movimiento libre mediante el uso de un novedoso sistema de transductor y lentes ópticamente transparentes.
Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Esta es una explicación generada por IA de un preprint que no ha sido revisado por pares. No es consejo médico. No tome decisiones de salud basándose en este contenido. Leer descargo de responsabilidad completo
Para comprender el cerebro, los científicos a menudo necesitan hacer dos cosas a la vez: deben estimular suavemente una parte específica de un circuito neuronal para ver cómo reacciona, y también deben observar cómo toda la red se ilumina en respuesta. Durante décadas, estas dos tareas han sido difíciles de combinar en un animal vivo y en movimiento. Las herramientas utilizadas para estimular el cerebro, como el ultrasonido focalizado, han sido tradicionalmente voluminosas y opacas, bloqueando la visión necesaria para que las cámaras vean la actividad cerebral. Por el contrario, las diminutas cámaras utilizadas para observar el disparo de las neuronas suelen requerir que el animal esté quieto y con la cabeza sujeta, lo que impide el estudio del comportamiento natural. Esto crea una brecha en el conocimiento, dejando a los investigadores incapaces de ver cómo cambian los complejos circuitos cerebrales en tiempo real cuando un animal es libre de moverse, explorar e interactuar con su mundo.
Un equipo de investigadores ha cerrado esta brecha creando un dispositivo que les permite estimular y observar el cerebro simultáneamente en un ratón que camina libremente. Construyeron un casco ligero y transparente que combina una cámara miniatura con un generador de ultrasonido especial. Este dispositivo, al que llamaron SonoMod, se asienta sobre la cabeza del ratón como una pequeña mochila. Utiliza ondas sonoras para estimular suavemente áreas específicas del cerebro mientras una cámara observa a través de la misma ventana transparente para registrar la actividad resultante en toda la superficie del cerebro. El avance reside en hacer que la parte generadora de sonido del dispositivo sea transparente, permitiendo que la luz pase a través de ella con la misma facilidad que el sonido, de modo que la cámara nunca pierda su visión.
El núcleo de este invento es un transductor de ultrasonido transparente, un disco que genera ondas sonoras pero que está hecho de un material cristalino transparente en lugar del metal o la cerámica opacos habituales. Para enfocar estas ondas sonoras en un punto preciso en las profundidades del cerebro, los investigadores acoplaron una lente fabricada a medida al frente del disco. Esta lente es tan delgada y clara que no desenfoca la imagen para la cámara. Los investigadores utilizaron impresión 3D avanzada para dar forma a la lente con precisión microscópica, creando un patrón en su superficie que dobla las ondas sonoras en un haz estrecho sin distorsionar la luz que pasa a través de ella. También llenaron el espacio entre la lente y el cráneo del ratón con un aceite especial que coincide con la forma en que la luz y el sonido viajan a través de los materiales, asegurando que ni la imagen ni el sonido se dispersen o se pierdan.
Todo el ensamblaje está diseñado para ser modular e intercambiable. Los investigadores crearon diferentes versiones de la lente que pueden intercambiarse rápidamente, lo que permite atacar diferentes regiones del cerebro sin necesidad de construir un nuevo dispositivo para cada experimento. Una versión de la lente enfoca el sonido en la corteza motora secundaria, un área involucrada en la planificación del movimiento, mientras que otra versión apunta a la corteza retrosplenial, que es importante para la memoria y la navegación. El dispositivo es lo suficientemente pequeño como para añadir solo unos 3,2 gramos al ratón, un peso que el animal puede cargar fácilmente sin alterar su comportamiento natural. Se conecta a un sistema de cámara estándar de código abierto que es ampliamente utilizado en neurociencia, lo que hace que la tecnología sea accesible para otros laboratorios sin requerir equipos especializados y costosos.
En sus pruebas, los investigadores colocaron el dispositivo en ratones que estaban despiertos y moviéndose libremente. Primero confirmaron que la cámara podía ver claramente a través de la lente transparente, capturando imágenes detalladas de los vasos sanguíneos y la actividad cerebral en un área amplia, cubriendo casi toda la superficie superior del cerebro. Luego utilizaron el dispositivo para emitir ráfagas de ultrasonido focalizado a objetivos específicos. Cuando estimularon la corteza motora, la cámara registró inmediatamente un aumento de actividad en esa zona específica, mientras que otras partes del cerebro permanecían tranquilas. Esto demostró que el sonido estaba golpeando solo el objetivo previsto y no estimulando accidentalmente todo el cerebro.
El estudio también reveló cómo se comunica el cerebro a través de sus dos mitades. Cuando los investigadores estimularon la corteza motora en un lado, la cámara detectó una señal que viajó al área correspondiente en el lado opuesto del cerebro una fracción de segundo después. Este tipo de visión de campo amplio es algo que los métodos antiguos de registro de un solo punto no podían capturar, ya que solo observan un punto diminuto a la vez. Los investigadores también comprobaron que el dispositivo era seguro para los animales, midiendo el aumento de temperatura causado por las ondas sonoras y encontrando que era insignificante, muy por debajo del nivel que podría dañar el tejido cerebral.
Al combinar la estimulación focalizada con una visión de gran angular del cerebro en un animal que se mueve libremente, esta nueva plataforma ofrece una forma poderosa de estudiar cómo funcionan los circuitos neuronales en la vida real. Permite a los científicos plantear preguntas sobre cómo regiones cerebrales específicas influyen en el comportamiento y cómo las señales viajan entre diferentes partes del cerebro, todo mientras el animal hace lo que mejor sabe hacer: moverse y explorar. Los investigadores pusieron los diseños del dispositivo a disposición del público, con la esperanza de que este enfoque abierto ayude a otros a construir sobre su trabajo para desentrañar aún más los misterios del cerebro.
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