Multi-region two-photon calcium imaging in freely moving animals
Les auteurs présentent MINI2P-II, un système de miniscope à deux photons bichromatique et léger qui permet l'imagerie calcique simultanée à haute résolution dans des régions cérébrales largement séparées chez des animaux se déplaçant librement, révélant ainsi la coordination neurale interrégionale complexe lors de comportements naturels.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA d'un preprint qui n'a pas été évalué par des pairs. Ce n'est pas un avis médical. Ne prenez pas de décisions de santé basées sur ce contenu. Lire la clause de non-responsabilité complète
Le cerveau n'est pas un centre de commande unique et isolé, mais un vaste réseau de quartiers lointains, chacun gérant des tâches spécifiques tout en communiquant constamment avec les autres. Pour comprendre comment des comportements complexes comme courir, grimper ou chanter émergent, les scientifiques doivent observer ces quartiers lointains s'activer à l'unisson. Pendant des décennies, les outils disponibles pour observer cette activité ont imposé un choix difficile. Les chercheurs pouvaient soit utiliser de minuscules caméras pour observer une seule zone cérébrale chez un animal se déplaçant librement, soit utiliser des électrodes pour écouter de nombreuses zones à la fois, mais les électrodes endommageaient souvent les tissus ou perdaient la trace des mêmes cellules au fil du temps. L'étalon-or pour voir les cellules individuelles en action est une technique appelée microscopie à deux photons, qui utilise une lumière focalisée pour regarder profondément à l'intérieur des tissus vivants avec une clarté incroyable. Cependant, l'équipement requis pour cette imagerie de haute qualité a historiquement été trop lourd pour être porté par un petit animal, limitant ces vues détaillées aux animaux qui sont soit sédatés, soit attachés à une machine stationnaire.
Une équipe de chercheurs a maintenant construit une solution qui brise cette barrière de poids, permettant de regarder les quartiers lointains du cerveau travailler ensemble en temps réel pendant que l'animal se déplace librement. Ils ont créé un nouvel appareil, un microscope miniature pesant seulement 1,1 gramme, assez léger pour être porté par une souris ou même un petit oiseau chanteur sans entraver leur comportement naturel. En montant deux de ces dispositifs sur un seul animal, les scientifiques ont pu enregistrer à partir de deux régions cérébrales distinctes simultanément pour la première fois avec ce niveau de détail. Ils ont démontré que cette configuration fonctionne pour étudier comment les deux hémisphères du cerveau se coordonnent lors de tâches physiques difficiles, comment les régions cérébrales proches codent l'information spatiale, et comment le cerveau des jeunes oiseaux apprend à chanter. Ce travail ouvre une fenêtre sur l'activité coordonnée des circuits neuronaux distribués, montrant que les conversations complexes du cerveau peuvent être observées dans leur contexte complet et naturel.
Le cœur de cette réussite réside dans la conception du nouveau microscope lui-même, qu'ils appellent MINI2P-II. Les tentatives précédentes pour réduire la taille des microscopes à deux photons entraînaient souvent une perte de qualité d'image ou de la capacité à voir profondément dans le cerveau. Le nouvel appareil surmonte cela en repensant la façon dont la lumière voyage à travers l'instrument. Au lieu d'utiliser de nombreuses lentilles et miroirs séparés, les concepteurs ont combiné plusieurs fonctions en composants uniques et ont replié les chemins de la lumière afin qu'ils occupent le même espace physique. Ils ont également remplacé les pièces métalliques lourdes par des matériaux en fibre de carbone légers et utilisé un nouveau type de câble à fibres optiques qui maintient la stabilité de la lumière laser même lorsque l'animal pivote et tourne. Le résultat est un dispositif qui pèse moins de la moitié du poids de ses prédécesseurs, mais offre des images plus nettes, un champ de vision plus large et la capacité de voir plus profondément dans le tissu cérébral. Crucialement, l'appareil est modulaire, ce qui signifie que différentes parties peuvent être échangées ou mises à niveau sans reconstruire l'ensemble du système.
Pour prouver que ce dispositif léger pouvait capturer l'activité cérébrale lors de mouvements vigoureux, les chercheurs l'ont testé sur des souris effectuant une tâche physique exigeante. Ils ont entraîné des souris à grimper une échelle verticale pour atteindre une récompense alimentaire, un comportement qui nécessite une coordination précise des pattes avant et arrière. En utilisant deux microscopes MINI2P-II, ils ont enregistré à partir du cortex moteur des deux côtés gauche et droit du cerveau simultanément. Les données ont révélé que les deux côtés du cerveau ne se reflètent pas simplement l'un l'autre. Pendant la montée, l'activité du côté droit du cerveau précédait systématiquement l'activité du côté gauche d'une fraction de seconde, suggérant une séquence spécifique de commandes pour ce mouvement complexe. De plus, lorsqu'ils ont observé les cellules individuelles plutôt que seulement l'activité moyenne, ils ont découvert que des groupes spécifiques de neurones des deux côtés du cerveau s'activaient ensemble en grappes serrées pendant la montée, tandis que d'autres groupes s'activaient en opposition. Ces motifs complexes de coordination étaient invisibles lorsqu'on n'observait qu'un seul côté du cerveau ou en faisant la moyenne de l'activité de toutes les cellules.
Les chercheurs ont également montré que cette technologie pouvait être utilisée pour étudier des régions cérébrales très proches les unes des autres, une tâche auparavant impossible avec deux microscopes séparés car les dispositifs entreraient physiquement en collision sur la tête de l'animal. Ils ont développé un nouvel assemblage optique, essentiellement un minuscule périscope composé de lentilles et de prismes spécialisés, qui déplace la vue du microscope latéralement et vers le bas. Cela leur a permis de monter deux microscopes sur le même côté de la tête d'une souris tout en regardant deux zones cérébrales adjacentes différentes. En utilisant cette configuration, ils ont enregistré à partir du cortex retrosplénial et du cortex pariétal postérieur, deux régions connues pour aider les animaux à naviguer dans leur environnement. Ils ont découvert que, bien que les deux régions contenaient des cellules qui s'activaient lorsqu'un mur était proche de l'animal, les cellules du cortex retrosplénial étaient beaucoup plus susceptibles de s'activer lorsque le mur était du côté gauche de l'animal, tandis que les cellules du cortex pariétal montraient une réponse plus équilibrée aux murs situés des deux côtés. Cette différence subtile dans la manière dont les deux régions cartographient le monde aurait été impossible à détecter sans enregistrer les deux zones simultanément chez le même animal.
Enfin, la légèreté extrême du dispositif a permis à l'équipe d'étendre ces études à des animaux beaucoup plus petits et à des stades de développement plus jeunes. Ils ont utilisé avec succès les microscopes pour enregistrer le cerveau de زبرا (zebra) finches, une petite espèce d'oiseau chanteur. Chez les oiseaux adultes, ils ont observé que les cellules cérébrales responsables du contrôle du chant restaient calmes pendant que l'oiseau interagissait avec une femelle, mais s'activaient brusquement dès que l'oiseau commençait à chanter. Ils ont également enregistré à partir d'un oiseau juvénile qui était encore en train d'apprendre à chanter. Chez ces jeunes oiseaux, les cellules cérébrales étaient actives même lorsque l'oiseau ne chantait pas, suggérant un état de pratique et d'apprentissage constant. Ce niveau de détail chez un jeune oiseau en mouvement libre était auparavant inatteignable, car des microscopes plus anciens et plus lourds auraient été trop encombrants pour le petit animal.
Le succès de ce projet démontre que les limites de poids et de taille des outils de neurosciences ne sont pas insurmontables. En combinant un microscope radicalement redessiné avec des accessoires optiques ingénieux, les chercheurs ont fourni une nouvelle façon d'observer le fonctionnement du cerveau. Ils ont montré que les comportements complexes du cerveau proviennent de conversations dynamiques et coordonnées entre des régions distantes et proches, des conversations qui peuvent désormais être observées chez des animaux se déplaçant librement dans leur monde. Cette approche offre un nouveau prisme puissant pour comprendre comment les circuits neuronaux se développent, comment ils apprennent et comment ils échouent, le tout sans perturber les comportements naturels que les scientifiques cherchent à comprendre.
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