A transparent miniscope-integrated ultrasound platform enables concurrent focused neuromodulation and wide-field imaging in freely moving mice
本論文は、新規の光学透明なトランスデューサおよびレンズシステムを利用することで、自由行動下にあるマウスにおける集束超音波による神経変調と広視野カルシウムイメージングの同時実行を可能にする、オープンソースで透明性の高いミニスコープ統合プラットフォームであるSonoModを紹介するものである。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
脳を理解するために、科学者たちはしばしば二つのことを同時に行う必要があります。それは、神経回路の特定の部位を優しく刺激してどのように反応するかを見ることと、その反応によってネットワーク全体がどのように光り輝くかを観察することです。数十年にわたり、これら二つのタスクを、生きている、動き回る動物の中で組み合わせることは困難でした。集束超音波のような脳を刺激するためのツールは、伝統的に嵩高く不透明であり、カメラが脳の活動を見るために必要な視界を遮ってきました。逆に、ニューロンの発火を観察するために使用される微小なカメラは、通常、動物が静止し、頭部を固定されていることを必要とするため、自然な行動の研究を妨げてしまいます。これは知識の空白を生み出し、動物が自由に動き、探索し、世界と相互作用しているときに、脳の複雑な回路がリアルタイムでどのように変化するのかを研究者が目にすることを不可能にしてきました。
研究チームは今回、歩行中のマウスにおいて、刺激と観察を同時に行うことを可能にするデバイスを開発することで、この空白を埋めました。彼らは、小型カメラと特殊な超音波発生器を組み合わせた、軽量で透明なヘッドセットを製作しました。「SonoMod」と名付けられたこのデバイスは、小さなバックパックのようにマウスの頭部に載せられます。これは、カメラが脳の表面全体の活動を記録するために同じ透明な窓越しに覗き込んでいる間、音波を使用して脳の特定領域を優しく刺激します。この画期的な技術の鍵は、音波を生成する部分を透明にすることで、音と同様に光も容易に通過させ、カメラの視界を失わせないようにした点にあります。
この発明の中核となるのは、透明な超音波トランスデューサーです。これは音波を発生させるディスクですが、通常の不透明な金属やセラミックではなく、透明な結晶材料で作られています。これらの音波を脳の深部にある精密なスポットに集めるために、研究者たちはディスクの前面にカスタムメイドのレンズを取り付けました。このレンズは非常に薄く透明であるため、カメラの画像をぼかすことがありません。研究者たちは、高度な3Dプリンティング技術を用いて、レンズの表面に微細なパターンを形成し、光を歪ませることなく音波を鋭いビームへと屈折させるよう、マイクロメートル単位の精度で成形しました。また、レンズとマウスの頭蓋骨の間の隙間を、光と音の両方の伝わり方に一致する特殊なオイルで満たすことで、画像も音も散乱したり失われたりしないようにしました。
装置全体は、モジュール式で交換可能な設計になっています。研究者たちは、新しいデバイスを構築することなく異なる脳領域を標的にできるよう、レンズの異なるバージョンを作成しました。あるバージョンのレンズは、運動の計画に関与する領域である二次運動野に音波を集束させ、別のバージョンは、記憶やナビゲーションに重要な後帯状皮質を標的にします。デバイスは非常に小型で、マウスに加える重さはわずか約3.2グラムであり、動物が自然な行動を変えることなく容易に運べる重さです。また、神経科学で広く使用されている標準的なオープンソースのカメラシステムに接続できるため、専門的で高価な機器を必要とせずに、他の研究室でもこの技術を利用できます。
テストにおいて、研究者たちは、覚醒して自由に動いているマウスにこのデバイスを装着しました。まず、カメラが透明なレンズ越しに鮮明に視界を確保し、脳のほぼ全表面をカバーする広範囲にわたって、血管や脳活動の詳細な画像を捉えられることを確認しました。次に、彼らはデバイスを使用して、特定のターゲットに対して集束した超音波のバーストを送り込みました。運動野を刺激した際、カメラは即座にその特定の領域における活動の急増を記録しましたが、他の部分は静かなままでした。これは、音が意図したターゲットのみを正確に捉えており、脳全体を誤って刺激していないことを証明しています。
この研究はまた、脳の二つの半球がどのように通信しているかも明らかにしました。研究者が片側の運動野を刺激すると、カメラは、脳の反対側にある対応する領域へ、ほんのわずかな時間差で信号が伝わるのを検知しました。このような広視野のビューは、一度に一つの小さな点しか見ることができない従来の単一ポイント記録法では捉えることができなかったものです。研究者たちはまた、デバイスが動物にとって安全であることを確認するため、音波によって引き起こされる温度上昇を測定し、それが脳組織に害を与えるレベルを大幅に下回る、無視できる程度であることを確認しました。
集束刺激と広角の視界を、自由に動く動物の中で組み合わせることで、この新しいプラットフォームは、現実の生活の中で神経回路がどのように機能するかを研究するための強力な手段を提供します。これにより、科学者は、特定の脳領域がどのように行動に影響を与えるか、あるいは信号が異なる部位間でどのように伝わるかといった問いを、動物が最も得意とする「動き、探索する」状態で行いながら投げかけることができるのです。研究者たちは、このデバイスの設計を公開しており、このオープンなアプローチが、脳の謎を解明するためのさらなる研究に他の人々が貢献することを期待しています。
自分の分野の論文に埋もれていませんか？
研究キーワードに一致する最新の論文のダイジェストを毎日受け取りましょう——技術要約付き、あなたの言語で。