A transparent miniscope-integrated ultrasound platform enables concurrent focused neuromodulation and wide-field imaging in freely moving mice
Questo articolo presenta SonoMod, una piattaforma open-source e trasparente integrata con miniscope che consente la neuromodulazione tramite ultrasuoni focalizzati e l'imaging del calcio a campo ampio in modo simultaneo in topi liberi di muoversi, utilizzando un nuovo sistema di lenti e trasduttore otticamente trasparente.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Per comprendere il cervello, gli scienziati devono spesso fare due cose contemporaneamente: devono stimolare delicatamente una parte specifica di un circuito neurale per vedere come reagisce, e devono osservare l'intera rete che si illumina in risposta. Per decenni, questi due compiti sono stati difficili da combinare in un animale vivo e in movimento. Gli strumenti utilizzati per stimolare il cervello, come l'ultrasuono focalizzato, sono stati tradizionalmente ingombranti e opachi, bloccando la visuale necessaria alle telecamere per vedere l'attività cerebrale. Al contrario, le minuscole telecamere utilizzate per osservare l'attivazione dei neuroni richiedono solitamente che l'animale sia immobile e con la testa bloccata in posizione, impedendo lo studio del comportamento naturale. Ciò crea un vuoto di conoscenza, lasciando i ricercatori impossibilitati a vedere come i complessi circuiti cerebrali cambino in tempo reale quando un animale è libero di muoversi, esplorare e interagire con il suo mondo.
Un team di ricercatori ha ora colmato questo divario creando un dispositivo che permette di stimolare e osservare il cervello simultaneamente in un topo che cammina liberamente. Hanno costruito una cuffia leggera e trasparente che combina una telecamera miniaturizzata con un generatore di ultrasuoni speciale. Questo dispositivo, che hanno chiamato SonoMod, si posiziona sulla testa del topo come un piccolo zainetto. Utilizza onde sonore per stimolare delicatamente aree specifiche del cervello, mentre una telecamera guarda attraverso la stessa finestra trasparente per registrare l'attività risultante su tutta la superficie del cervello. La vera innovazione risiede nel rendere la parte generatrice del suono trasparente, permettendo alla luce di passare attraverso di essa con la stessa facilità del suono, in modo che la telecamera non perda mai la visuale.
Il cuore di questa invenzione è un trasduttore a ultrasuoni trasparente, un disco che genera onde sonore ma che è realizzato in un materiale cristallino trasparente anziché nel solito metallo o ceramica opaca. Per focalizzare queste onde sonore su un punto preciso in profondità nel cervello, i ricercatori hanno applicato un disco dotato di una lente personalizzata sul davanti. Questa lente è così sottile e trasparente da non sfocare l'immagine per la telecamera. I ricercatori hanno utilizzato la stampa 3D avanzata per dare forma alla lente con precisione microscopica, creando un motivo sulla sua superficie che piega le onde sonore in un fascio stretto senza distorcere la luce che vi passa attraverso. Hanno inoltre riempito lo spazio tra la lente e il cranio del topo con un olio speciale che si adatta al modo in cui sia la luce che il suono viaggano attraverso i materiali, garantendo che né l'immagine né il suono vengano dispersi o persi.
L'intero assieme è progettato per essere modulare e intercambiabile. I ricercatori hanno creato diverse versioni della lente che possono essere rapidamente sostituite, consentendo di colpire diverse regioni del cervello senza dover costruire un nuovo dispositivo per ogni esperimento. Una versione della lente focalizza il suono sulla corteccia motoria secondaria, un'area coinvolta nella pianificazione del movimento, mentre un'altra punta alla corteccia retrospleniale, che è importante per la memoria e la navigazione. Il dispositivo è abbastanza piccolo da aggiungere solo circa 3,2 grammi al topo, un peso che l'animale può trasportare facilmente senza alterare il proprio comportamento naturale. Si collega a un sistema di telecamere open-source standard, ampiamente utilizzato nelle neuroscienze, rendendo la tecnologia accessibile anche ad altri laboratori senza richiedere attrezzature specializzate o costose.
Nei loro test, i ricercatori hanno posizionato il dispositivo su topi svegli e in movimento libero. Hanno prima confermato che la telecamera potesse vedere chiaramente attraverso la lente trasparente, catturando immagini dettagliate di vasi sanguigni e attività cerebrale su un'ampia area, coprendo quasi tutta la superficie superiore del cervello. Hanno poi utilizzato il dispositivo per somministrare impulsi concentrati di ultrasuoni a bersagli specifici. Quando hanno stimolato la corteccia motoria, la telecamera ha registrato immediatamente un picco di attività in quell'area specifica, mentre altre parti del cervello rimanevano calme. Ciò ha dimostrato che il suono colpiva solo il bersaglio previsto e non stimolava accidentalmente l'intero cervello.
Lo studio ha anche rivelato come il cervello comunichi tra le sue due metà. Quando i ricercatori hanno stimolato la corteccia motoria su un lato, la telecamera ha rilevato un segnale che viaggiava verso l'area corrispondente sul lato opposto del cervello una frazione di secondo dopo. Questo tipo di visione a campo ampio è qualcosa che i vecchi metodi di registrazione a punto singolo non potevano catturare, poiché guardano solo un minuscolo punto alla volta. I ricercatori hanno anche verificato che il dispositivo fosse sicuro per gli animali, misurando l'aumento di temperatura causato dalle onde sonore e scoprendo che era trascurabile, ben al di sotto del livello che potrebbe danneggiare il tessuto cerebrale.
Combinando la stimolazione focalizzata con una visuale grandangolare del cervello in un animale che si muove liberamente, questa nuova piattaforma offre un modo potente per studiare come funzionano i circuiti neurali nella vita reale. Permette agli scienziati di porre domande su come specifiche regioni cerebrali influenzino il comportamento e su come i segnali viaggino tra le diverse parti del cervello, il tutto mentre l'animale fa ciò che sa fare meglio: muoversi ed esplorare. I ricercatori hanno reso pubblici i progetti del dispositivo, sperando che questo approccio aperto aiuti altri a costruire sul proprio lavoro per svelare ulteriormente i misteri del cervello.
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