A transparent miniscope-integrated ultrasound platform enables concurrent focused neuromodulation and wide-field imaging in freely moving mice
Cet article présente SonoMod, une plateforme open-source et transparente intégrée à un miniscope qui permet la neuromodulation par ultrasons focalisés et l'imagerie calcique à large champ simultanées chez des souris en mouvement libre, en utilisant un nouveau système de lentille et de transducteur optiquement transparent.
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
Pour comprendre le cerveau, les scientifiques doivent souvent faire deux choses à la fois : ils doivent stimuler délicatement une partie spécifique d'un circuit neuronal pour voir comment elle réagit, et ils doivent observer l'ensemble du réseau s'illuminer en réponse. Pendant des décennies, ces deux tâches ont été difficiles à combiner chez un animal vivant et en mouvement. Les outils utilisés pour stimuler le cerveau, tels que les ultrasons focalisés, étaient traditionnellement volumineux et opaques, bloquant la vue nécessaire aux caméras pour observer l'activité cérébrale. Inversement, les minuscules caméras utilisées pour observer l'activation des neurones nécessitent généralement que l'animal soit immobile et sa tête maintenue en place, ce qui empêche l'étude du comportement naturel. Cela crée une lacune dans les connaissances, laissant les chercheurs incapables de voir comment les circuits complexes du cerveau changent en temps réel lorsqu'un animal est libre de se déplacer, d'explorer et d'interagir avec son environnement.
Une équipe de chercheurs a désormais comblé cette lacune en créant un dispositif qui leur permet de stimuler et d'observer le cerveau simultanément chez une souris se déplaçant librement. Ils ont conçu un casque léger et transparent qui combine une caméra miniature avec un générateur d'ultrasons spécial. Ce dispositif, qu'ils ont nommé SonoMod, repose sur la tête de la souris comme un minuscule sac à dos. Il utilise des ondes sonores pour stimuler délicatement des zones spécifiques du cerveau pendant qu'une caméra regarde à travers la même fenêtre transparente pour enregistrer l'activité résultante sur toute la surface du cerveau. La percée réside dans le fait de rendre la partie génératrice de sons transparente, permettant à la lumière de passer aussi facilement que le son, afin que la caméra ne perde jamais sa vue.
Le cœur de cette invention est un transducteur à ultrasons transparent, un disque qui génère des ondes sonores mais qui est fabriqué à partir d'un matériau cristallin clair plutôt qu'en métal ou en céramique opaque habituels. Pour focaliser ces ondes sonores sur un point précis au fond du cerveau, les chercheurs ont fixé une lentille sur mesure à l'avant du disque. Cette lentille est si fine et claire qu'elle n'embue pas l'image pour la caméra. Les chercheurs ont utilisé l'impression 3D avancée pour façonner la lentille avec une précision microscopique, créant un motif à sa surface qui courbe les ondes sonores en un faisceau serré sans distordre la lumière qui la traverse. Ils ont également rempli l'espace entre la lentille et le crâne de la souris avec une huile spéciale qui correspond à la manière dont la lumière et le son voyagent à travers les matériaux, garantissant que ni l'image ni le son ne soient dispersés ou perdus.
L'ensemble de l'assemblage est conçu pour être modulaire et interchangeable. Les chercheurs ont créé différentes versions de la lentille qui peuvent être rapidement échangées, permettant de cibler différentes régions du cerveau sans avoir besoin de construire un nouvel appareil pour chaque expérience. Une version de la lentille focalise le son sur le cortex moteur secondaire, une zone impliquée dans la planification du mouvement, tandis qu'une autre version cible le cortex retrosplénial, qui est important pour la mémoire et la navigation. Le dispositif est assez petit pour n'ajouter que environ 3,2 grammes à la souris, un poids que l'animal peut facilement porter sans altérer son comportement naturel. Il se connecte à un système de caméra standard en open-source, largement utilisé en neurosciences, rendant la technologie accessible à d'autres laboratoires sans nécessiter d'équipement spécialisé ou coûteux.
Lors de leurs tests, les chercheurs ont placé le dispositif sur des souris éveillées et se déplaçant librement. Ils ont d'abord confirmé que la caméra pouvait voir clairement à travers la lentille transparente, capturant des images détaillées des vaisseaux sanguins et de l'activité cérébrale sur une large zone, couvrant presque toute la surface supérieure du cerveau. Ils ont ensuite utilisé le dispositif pour délivrer des impulsions d'ultrasons focalisés à des cibles spécifiques. Lorsqu'ils ont stimulé le cortex moteur, la caméra a immédiatement enregistré une poussée d'activité dans cette zone spécifique, tandis que d'autres parties du cerveau restaient calmes. Cela a prouvé que le son frappait uniquement la cible prévue et ne stimulait pas accidentellement l'ensemble du cerveau.
L'étude a également révélé comment le cerveau communique entre ses deux hémisphères. Lorsque les chercheurs ont stimulé le cortex moteur d'un côté, la caméra a détecté un signal qui voyage vers la zone correspondante de l'autre côté du cerveau une fraction de seconde plus tard. Ce genre de vue à large champ est une chose que les anciennes méthodes d'enregistrement à point unique ne pouvaient pas capturer, car elles ne regardent qu'un seul petit endroit à la fois. Les chercheurs ont également vérifié que le dispositif était sûr pour les animaux, mesurant l'élévation de température causée par les ondes sonores et constatant qu'elle était négligeable, bien en dessous du niveau pouvant endommager le tissu cérébral.
En combinant la stimulation focalisée avec une vue grand angle du cerveau chez un animal se déplaçant librement, cette nouvelle plateforme offre un moyen puissant d'étudier comment les circuits neuronaux fonctionnent dans la vie réelle. Elle permet aux scientifiques de poser des questions sur la manière dont des régions cérébrales spécifiques influencent le comportement et comment les signaux voyagent entre différentes parties du cerveau, tout en laissant l'animal faire ce qu'il fait de mieux : se déplacer et explorer. Les chercheurs ont rendu les conceptions du dispositif publiques, espérant que cette approche ouverte aidera d'autres personnes à bâtir sur leurs travaux pour continuer à percer les mystères du cerveau.
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