A transparent miniscope-integrated ultrasound platform enables concurrent focused neuromodulation and wide-field imaging in freely moving mice
Este artigo apresenta o SonoMod, uma plataforma de código aberto e transparente integrada a um miniscope que permite a neuromodulação por ultrassom focalizado e a imagem de cálcio de campo amplo simultâneas em camundongos livres de movimento, utilizando um novo sistema de transdutor e lente opticamente transparente.
Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Esta é uma explicação gerada por IA de um preprint que não foi revisado por pares. Não é aconselhamento médico. Não tome decisões de saúde com base neste conteúdo. Ler aviso legal completo
Para entender o cérebro, os cientistas frequentemente precisam fazer duas coisas ao mesmo tempo: eles devem cutucar suavemente uma parte específica do circuito neural para ver como ela reage, e devem observar toda a rede se iluminar em resposta. Durante décadas, essas duas tarefas foram difíceis de combinar em um animal vivo e em movimento. As ferramentas usadas para estimular o cérebro, como o ultrassom focalizado, têm sido tradicionalmente volumosas e opacas, bloqueando a visão necessária para que as câmeras vejam a atividade do cérebro. Por outroº lado, as minúsculas câmeras usadas para observar os neurônios dispararem geralmente exigem que o animal esteja imóvel e com a cabeça presa, impedindo o estudo do comportamento natural. Isso cria uma lacuna no conhecimento, deixando os pesquisadores incapazes de ver como os complexos circuitos cerebrais mudam em tempo real quando um animal está livre para se mover, explorar e interagir com seu mundo.
Uma equipe de pesquisadores conseguiu agora preencher essa lacuna ao criar um dispositivo que permite estimular e observar o cérebro simultaneamente em um camundongo que caminha livremente. Eles construíram um headset leve e transparente que combina uma câmera miniatura com um gerador de ultrassom especial. Este dispositivo, que nomearam de SonoMod, fica na cabeça do camundongo como uma pequena mochila. Ele usa ondas sonoras para estimular suavemente áreas específicas do cérebro enquanto uma câmera olha através da mesma janela transparente para registrar a atividade resultante em toda a superfície do cérebro. O avanço reside no fato de tornar a parte geradora de som transparente, permitindo que a luz passe por ela tão facilmente quanto o som, para que a câmera nunca perca sua visão.
O núcleo desta invenção é um transdutor de ultrassom transparente, um disco que gera ondas sonoras, mas é feito de um material de cristal transparente em vez do habitual metal ou cerâmica opaca. Para focar essas ondas sonoras em um ponto preciso nas profundezas do céreário, os pesquisadores anexaram uma lente feita sob medida à frente do disco. Esta lente é tão fina e clara que não embaça a imagem para a câmera. Os pesquisadores usaram impressão 3D avançada para moldar a lente com precisão microscópica, criando um padrão em sua superfície que dobra as ondas sonoras em um feixe apertado sem distorcer a luz que passa por ela. Eles também preencheram a lacuna entre a lente e o crânio do camundongo com um óleo especial que combina a maneira como tanto a luz quanto o som viajam através dos materiais, garantindo que nem a imagem nem o som sejam dispersos ou perdidos.
Todo o conjunto é projetado para ser modular e intercambiável. Os pesquisadores criaram diferentes versões da lente que podem ser rapidamente trocadas, permitindo atingir diferentes regiões do cérebro sem a necessidade de construir um novo dispositivo para cada experimento. Uma versão da lente foca o som no córtex motor secundário, uma área envolvida no planejamento do movimento, enquanto outra versão tem como alvo o córtex retrosplenial, que é importante para a memória e navegação. O dispositivo é pequeno o suficiente para adicionar apenas cerca de 3,2 gramas ao camundongo, um peso que o animal pode carregar facilmente sem alterar seu comportamento natural. Ele se conecta a um sistema de câmera padrão de código aberto que é amplamente utilizado na neurociência, tornando a tecnologia acessível a outros laboratórios sem exigir equipamentos especializados ou caros.
Em seus testes, os pesquisadores colocaram o dispositivo em camundongos que estavam acordados e movendo-se livremente. Primeiro, confirmaram que a câmera conseguia ver claramente através da lente transparente, capturando imagens detalhadas de vasos sanguíneos e atividade cerebral em uma ampla área, cobrindo quase toda a superfície superior do cérebro. Em seguida, usaram o dispositivo para entregar pulsos focados de ultrassom a alvos específicos. Quando estimularam o córtex motor, a câmera registrou imediatamente um surto de atividade naquela área específica, enquanto outras partes do cérebro permaneceram calmas. Isso provou que o som estava atingindo apenas o alvo pretendido e não estimulando acidentalmente todo o cérebro.
O estudo também revelou como o cérebro se comunica através de suas duas metades. Quando os pesquisadores estimularam o córtex motor de um lado, a câmera detectou um sinal que viajou para a área correspondente no lado oposto do cérebro uma fração de segundo depois. Esse tipo de visão de campo amplo é algo que os métodos antigos de registro de ponto único não consegravam capturar, pois observavam apenas um ponto minúsculo por vez. Os pesquisadores também verificaram se o dispositivo era seguro para os animais, medindo o aumento de temperatura causado pelas ondas sonoras e descobrindo que era insignificante, muito abaixo do nível que poderia prejudicar o tecido cerebral.
Ao combinar a estimulação focalizada com uma visão de grande angular em um animal que se move livremente, esta nova plataforma oferece uma maneira poderosa de estudar como os circuitos neurais funcionam na vida real. Ela permite que os cientistas façam perguntas sobre como regiões cerebrais específicas influenciam o comportamento e como os sinais viajam entre diferentes partes do cérebro, tudo isso enquanto o animal faz o que faz de melhor: mover-se e explorar. Os pesquisadores disponibilizaram os designs do dispositivo ao público, esperando que essa abordagem aberta ajude outros a construir sobre o trabalho deles para continuar desvendando os mistérios do cérebro.
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