SPOUT: An open-source hardware and software platform to study decision making while manipulating and recording from neural activity
Het artikel introduceert SPOUT, een open-source, betaalbaar hardware- en softwareplatform dat nauwkeurige neurale registratie en optogenetische manipulatie integreert met flexibele besluitvormingstaken om de neurale mechanismen van gedrag bij met de kop vastgezette muizen te bestuderen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Om te begrijpen hoe een muis besluit om naar links of naar rechts te draaien, moeten wetenschappers meer doen dan alleen het dier observeren. Ze moeten de elektrische activiteit van de hersenen zien op het exacte moment dat een keuze wordt gemaakt, en ze moeten in staat zijn die activiteit voorzichtig te beïnvloeden om te zien wat er gebeurt. Dit vereist een delicaat evenwicht: het dier moet stil genoeg zijn zodat krachtige microscopen individuele hersencellen kunnen zien, maar vrij genoeg om zijn kop en tong te bewegen om een taak uit te voeren. Decennialang hebben onderzoekers geprobeen een systeem te bouwen dat de hersenen kan registreren, het gedrag kan controleren en precieze lichtsignalen naar de hersenen kan sturen, terwijl de timing perfect blijft. Als de klok die het gedrag meet zelfs maar een fractie afwijkt van de klok die de hersenen registreert, wordt de verbinding tussen actie en gedachte onmogelijk te ontcijferen.
Een team aan de Harvard Medical School heeft nu een nieuw hulpmiddel gebouwd om dit probleem op te lossen, door een volledig open-source systeem genaamd SPOUT te creëren. De naam staat voor State-machine Platform for Operant Uni/dual-spout Tasks, maar in de praktijk is het een veelzijdig systeem waarmee muizen puzzels over besluitvorming kunnen oplossen terwijl wetenschappers hun hersenen in realtime bekijken. Het systeem is ontworpen om betaalbaar en gemakkelijk in gebruik te zijn, waarbij dure, op maat gemaakte opstellingen worden vervangen door een verzameling standaardonderdelen die elk laboratorium kan assembleren. In het hart ervan zit een kleine computerchip die fungeert als dirigent, die de levering van waterbeloningen, het registreren van tongbewegingen en het afvuren van lichtstralen in de hersenen coördineert, allemaal met een precisie die wordt gemeten in millionths van een seconde.
De onderzoekers testten dit systeem door muizen een eenvoudig spel te leren. De muis zit met de kop stil, gericht op twee kleine buisjes. Er klinkt een geluid, en de muis moet kiezen om ofwel in het linker of het rechter buisje te likken om een druppel water te krijgen. De truc is dat het geluid de muis niet vertelt welke kant de juiste is; in plaats daarvan verandert de juiste kant elke paar proeven zonder waarschuwing. De muis moet het patroon ontdekken door te onthouden welke keuze tot een beloning leidde en welke niet. Met behulp van SPOUT volgde het team hoe de muizen dit spel over vele dagen leerden. In het begin gokten de muizen willekeurig, maar naarmate ze meer ervaring opdeden, leerden ze direct te wisselen van keuze na een fout en vast te houden aan een winnende kant. Het systeem registreerde elke enkele lik met een zodanige nauwkeurigheid dat de onderzoekers het exacte moment konden zien waarop het gedrag van de muis veranderde van verwarring naar zelfvertrouwen.
Om te bewijzen dat het systeem ook de hersenen kon aansturen, gebruikten de wetenschappers een techniek genaamd optogenetica, waarmee ze specifieke hersencellen met licht aan of uit kunnen zetten. Ze richtten zich op een regio in de hersenen genaamd de anterior laterale motorische cortex, een gebied dat bekend staat om zijn betrokkenheid bij het plannen van bewegingen. Wanneer ze net op het moment dat de muis een keuze ging maken een blauw licht in dit deel van de hersenen schoten, veranderde het gedrag van de muis onmiddellijk. Als het licht de zijde van de hersenen raakte die de rechterkant van het lichaam aanstuurt, stopte de muis plotseling met het likken aan de rechterbuis en begon in plaats daarvan aan de linkerbuis te likken. Dit gebeurde alleen wanneer het licht aan stond, en het effect verdween zodra het licht uitging, wat aantoonde dat het systeem in staat was om het planningsproces van de hersenen precies te onderbreken en het proces van de beslissing van het dier in realtime te observeren.
De onderzoekers combineerden deze opstelling ook met een krachtige microscoop om foto's te maken van de hersencellen terwijl de muizen het spel speelden. Omdat het systeem de tijd perfect bijhoudt, konden ze het exacte moment waarop een muis aan een buisje likte koppelen aan de activiteit van duizenden neuronen in de hersenen. Ze ontdekten dat wanneer een muis aan de zijde tegenovergesteld aan het gestimuleerde hersengebied koos om te likken, de hersencellen veel sterker vuurden dan wanneer de muis voor dezelfde zijde koos. Dit bevestigde dat deze specifieke hersencellen actiever zijn wanneer het dier zich voorbereidt om in een bepaalde richting te bewegen. Het vermogen van het systeem om het gedrag, de lichtstimulatie en de hersenafbeeldingen met een dergelijke precisie te synchroniseren, stelde het team in staat om deze patronen duidelijk te zien, iets wat met oudere, minder gesynchroniseerde apparatuur onmogelijk zou zijn geweest.
Wat dit werk bijzonder belangrijk maakt, is niet alleen de ontdekking over muizenhersenen, maar het hulpmiddel zelf. De onderzoekers hebben alle blauwdrukken, code en instructies voor het bouwen van SPOUT gratis beschikbaar gesteld aan het publiek. Ze hebben aangetoond dat een complex, hoogprecisie neurobiologisch experiment niet tienduizenden dollars hoeft te kosten of een team van ingenieurs nodig heeft om te bouwen. Door een standaard microcontroller en standaardonderdelen te gebruiken, hebben ze een platform gecreëerd dat robuust genoeg is om duizenden sessies te draaien zonder kapot te gaan. Het systeem is ontworpen om flexibel te zijn, waardoor wetenschappers de regels van het spel of het type hersenregistratie kunnen veranderen zonder de onderliggende software te herschrijven. Deze openheid betekent dat laboratoria wereldwijd nu dezelfde experimenten kunnen uitvoeren met hetzelfde niveau van precisie, wat het makkelijker maakt om resultaten te vergelijken en een gedeeld begrip op te bouwen over hoe de hersenen beslissingen nemen.
De studie concludeert dat SPOUT een betrouwbare en toegankelijke manier is om de link tussen hersenactiviteit en gedrag te bestuderen. Het heeft succesvol aangetoond dat muizen complexe regels kunnen leren op basis van eerdere beloningen, dat specifieke hersengebieden tijdelijk uitgeschakeld kunnen worden om die beslissingen te veranderen, en dat de resulterende neurale activiteit met hoge getrouwheid geregistreerd kan worden. De onderzoekers beweerden niet het mysterie van besluitvorming te hebben opgelost, maar ze boden een duidelijke, reproduceerbare manier om de vraag te stellen. Door de technische barrières weg te nemen die veel laboratoria tot nu toe verhinderden dit soort werk te doen, heeft het team de deur geopend voor een bredere gemeenschap van wetenschappers om te onderzoeken hoe de hersenen actie sturen, één precieze lik per keer.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.