A transparent miniscope-integrated ultrasound platform enables concurrent focused neuromodulation and wide-field imaging in freely moving mice
本文介绍了 SonoMod，这是一个开源、透明的微型显微镜集成平台，通过利用一种新型光学透明换能器和透镜系统，实现了在自由活动小鼠身上同时进行聚焦超声神经调控和宽视野钙成像。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
为了理解大脑，科学家们通常需要同时做两件事：他们必须轻轻地刺激特定的神经回路以观察其反应，并且必须观察整个网络如何因响应而亮起。几十年来，在活体、运动的动物身上同时完成这两项任务一直非常困难。用于刺激大脑的工具（例如聚焦超声波）传统上是笨重且不透明的，这阻挡了摄像机观察大脑活动的视野。相反，用于观察神经元放电的微型摄像机通常要求动物保持静止并固定头部，从而无法研究自然行为。这造成了知识上的空白，使得研究人员无法观察当动物自由移动、探索和与其世界互动时，其复杂的脑回路是如何实时变化的。
一支研究团队现在通过创造一种设备弥补了这一差距，该设备允许他们在行走自如的小鼠身上同时进行刺激和观察。他们制造了一个轻量级的透明头戴装置，将微型摄像机与一种特殊的超声发生器结合在一起。这个被称为 SonoMod 的装置像一个微型背包一样戴在小鼠头上。它利用声波轻轻刺激大脑的特定区域，同时摄像机通过同一个透明窗口观察并记录整个大脑表面的活动结果。这项突破在于使生成声音的部分变得透明，使其让光线通过的方式与声波一样容易，从而确保摄像机的视野始终清晰。
这项发明的核心是一个透明的超声换能器，这是一个产生声波的圆盘，但它是用透明的晶体材料而非通常的不透明金属或陶瓷制成的。为了将这些声波聚焦到大脑深处的精确点，研究人员在圆盘前部安装了一个定制的透镜。这个透镜非常薄且透明，因此不会模糊摄像机的图像。研究人员使用先进的 3D 打印技术以微米级的精度对透镜进行塑形，在其表面创造出一种图案，既能将声波弯曲成紧凑的光束，又不会扭曲穿过的光线。他们还在透镜与小鼠头骨之间的缝隙中填充了一种特殊的油，这种油的特性使光线和声波的传播方式相匹配，从而确保图像和声音都不会发生散射或丢失。
整个组件的设计是模块化且可互换的。研究人员制作了不同版本的透镜，可以快速更换，从而可以在无需为每个实验构建新设备的情况下针对不同的脑区进行定位。其中一个版本的透镜将声波聚焦在次级运动皮层（一个涉及规划运动的区域），而另一个版本则针对后扣带皮层（对记忆和导航至关重要）。该设备足够小，仅为小鼠增加了约 3.2 克重量，小鼠可以轻松携带而不改变其自然行为。它连接到标准的开源摄像系统，这种系统在神经科学领域应用广泛，使得这项技术无需专门且昂贵的设备即可被其他实验室使用。
在测试中，研究人员将该设备安置在清醒且自由移动的小鼠身上。他们首先确认了摄像机可以透过透明透镜清晰地观察，捕捉到血管细节以及覆盖大脑几乎整个顶部的广泛区域内的脑活动。随后，他们使用该设备向特定目标传递聚焦超声脉冲。当他们刺激运动皮层时，摄像机立即记录到该特定区域的活动激增，而大脑的其他部分则保持平静。这证明了声波仅击中了预定目标，而没有误刺激整个大脑。
研究还揭示了大脑如何在两个半球之间进行通信。当研究人员刺激一侧的运动皮层时，摄像机检测到信号在极短的时间后便传导到了大脑另一侧的对应区域。这种宽场视图是旧有的单点记录方法无法捕捉到的，因为那些方法一次只能观察一个微小的点。研究人员还检查了设备的安全性，测量了声波引起的温度升高，发现其影响微乎其微，远低于可能伤害脑组织的水平。
通过将聚焦刺激与大脑广角视野相结合，这种在自由移动动物身上的新技术平台，为研究神经回路在现实生活中如何运作提供了一种强大的方式。它让科学家能够提问：特定的脑区如何影响行为，以及信号如何在不同脑区之间传递，而这一切都是在动物进行其最擅长的动作——移动和探索时进行的。研究人员已向公众公开了该设备的各种设计，希望这种开放的方式能帮助他人基于他们的工作开展研究，进一步揭开大脑的奥秘。
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