A transparent miniscope-integrated ultrasound platform enables concurrent focused neuromodulation and wide-field imaging in freely moving mice
Dit artikel introduceert SonoMod, een open-source, transparant miniscope-geïntegreerd platform dat gelijktijdige gefocuste ultrasone neuromodulatie en breedveld calciumimaging in vrij bewegende muizen mogelijk maakt door gebruik te maken van een nieuw optisch transparant transducer- en lensysteem.
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 de hersenen te begrijpen, moeten wetenschappers vaak twee dingen tegelijk doen: ze moeten een specifiek deel van het neurale circuit voorzichtig prikkelen om te zien hoe het reageert, en ze moeten het hele netwerk observeren dat oplicht als reactie daarop. Decennialang waren deze twee taken moeilijk te combineren in een levend, bewegend dier. De instrumenten die worden gebruikt om de hersenen te stimuleren, zoals gefocuste ultrasone golven, zijn traditioneel volumineus en ondoorzichtig geweest, waardoor het zicht werd geblokkeerd dat camera's nodig hebben om de activiteit van de hersenen te zien. Omgekeerd vereisen de minuscule camera's die worden gebruikt om neuronen te observeren terwijl ze vuren, meestal dat het dier stilstaat en de kop op zijn plaats wordt gehouden, wat onderzoek naar natuurlijk gedrag verhindert. Dit creëert een kenniskloof, waardoor onderzoekers niet in staat zijn om te zien hoe de complexe circuits van de hersenen in realtime veranderen wanneer een dier vrij is om te bewegen, te verkennen en met zijn omgeving te interageren.
Een team van onderzoekers heeft deze kloof nu overbrugd door een apparaat te creëren waarmee ze de hersenen tegelijkertijd kunnen stimuleren en observeren in een muis die vrij kan lopen. Ze hebben een lichtgewicht, transparante headset gebouwd die een miniatuurcamera combineert met een speciale ultrasone generator. Dit apparaat, dat ze SonoMod noemden, zit op de kop van de muis als een klein rugzakje. Het gebruikt geluidsgolven om specifieke gebieden van de hersenen voorzichtig te stimuleren, terwijl een camera door hetzelfde transparante venster kijkt om de resulterende activiteit over het gehele oppervlak van de hersenen vast te leggen. De doorbraak ligt in het feit dat het geluidsgenererende deel van het apparaat doorzichtig is gemaakt, waardoor licht net zo gemakkelijk doorheen kan passeren als geluid, zodat de camera nooit het zicht verliest.
De kern van deze uitvinding is een transparante ultrasone transducer, een schijf die geluidsgolven genereert maar gemaakt is van een helder kristalmateriaal in plaats van het gebruikelijke ondoorzichtige metaal of keramiek. Om deze geluidsgolven op een precieze plek diep in de hersenen te focussen, hebben de onderzoekers een op maat gemaakte lens aan de voorkant van de schijf bevestigd. Deze lens is zo dun en helder dat deze het beeld voor de camera niet vertroebelt. De onderzoekers gebruikten geavanceerde 3D-printtechnieken om de lens met microscopische precisie te vormen, waarbij ze een patroon op het oppervlak creëerden dat de geluidsgolven in een nauwe straal buigt zonder het passerende licht te verstoren. Ze vulden ook de ruimte tussen de lens en de schedel van de muis met een speciale olie die overeenkomt met de manier waarop zowel licht als geluid door de materialen reizen, om ervoor te zorgen dat noch het beeld, noch het geluid wordt verstrooid of verloren gaat.
De gehele assemblage is ontworpen om modulair en uitwisselbaar te zijn. De onderzoekers hebben verschillende versies van de lens gemaakt die snel kunnen worden uitgewisseld, waardoor ze verschillende regio's van de hersenen kunnen targeten zonder voor elk experiment een nieuw apparaat te hoeven bouwen. Eén versie van de lens focust het geluid op de secundaire motorische cortex, een gebied dat betrokken is bij het plannen van beweging, terwijl een andere versie de retrospleniale cortex target, die belangrijk is voor geheugen en navigatie. Het apparaat is klein genoeg zodat het slechts ongeveer 3,2 gram toevoegt aan de muis, een gewicht dat het dier gemakkelijk kan dragen zonder het natuurlijke gedrag te veranderen. Het sluit aan op een standaard open-source camerasysteem dat breed wordt gebruikt in de neurowetenschap, waardoor de technologie toegankelijk is voor andere laboratoria zonder dat er gespecialiseerde, dure apparatuur nodig is.
In hun tests plaatsten de onderzoekers het apparaat op muizen die wakker waren en vrij bewogen. Ze bevestigden eerst dat de camera duidelijk door de transparante lens kon kijken en gedetailleerde beelden van bloedvaten en hersenactiviteit over een groot gebied vastlegde, waarbij bijna het gehele bovenste oppervlak van de hersenen werd bestreken. Vervolgens gebruikten ze het apparaat om gerichte pulsen van ultrasone golven naar specifieke doelen te sturen. Wanneer ze de motorische cortex stimuleerden, registreerde de camera onmiddellijk een piek in activiteit in dat specifieke gebied, terwijl andere delen van de hersenen rustig bleven. Dit bewees dat het geluid alleen de beoogde doelwit raakte en niet per ongeluk de hele hersenen stimuleerde.
De studie onthulde ook hoe de hersenen communiceren tussen hun twee helften. Wanneer de onderzoekers de motorische cortex aan één zijde stimuleerden, detecteerde de camera een signaal dat een fractie van een seconde later naar het bijbehorende gebied aan de tegenovergestelde zijde van de hersenen reisde. Dit soort breedveldzicht is iets wat oudere, enkelvoudige registratiemethoden niet konden vastleggen, omdat zij slechts naar één klein punt tegelijk kijken. De onderzoekers controleerden ook of het apparaat veilig was voor de dieren door de temperatuurstijging te meten die door de geluidsgolven werd veroorzaakt, en vonden deze verwaarloosbaar, ver onder het niveau dat schadelijk zou zijn voor het hersenweefsel.
Door gerichte stimulatie te combineren met een breed kijkveld van de hersenen in een vrij bewegend dier, biedt dit nieuwe platform een krachtige manier om te bestuderen hoe neurale circuits in het echte leven werken. Het stelt wetenschappers in staat om vragen te stellen over hoe specifieke hersengebieden het gedrag beïnvloeden en hoe signalen tussen verschillende delen van de hersenen reizen, terwijl het dier doet waar het het beste in is: bewegen en verkennen. De onderzoekers hebben de ontwerpen voor het apparaat publiekelijk beschikbaar gesteld, in de hoop dat deze open benadering anderen zal helpen voort te bouwen op hun werk om de mysteries van de hersenen verder te ontrafelen.
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.