«Нашей мечтой было изобрести окно в мозг, чтобы мы могли видеть, что происходит внутри, когда мы думаем, планируем, чувствуем и вспоминаем», — говорит профессор Мэй-Бритт Мозер, описывая разговоры, которые она и ее давний сотрудник профессор В начале 1990-х годов у Эдварда Мозера были молодые студенты-психологи. Мозер является директором-основателем Центра нейронных вычислений и содиректором Института системной неврологии им. Кавли при Норвежском университете науки и технологии (NTNU), а также лауреатом Нобелевской премии вместе со своим партнером по исследованиям Эдвардом Мозером, содиректором Институт системной неврологии им. Кавли.
Сегодня Мышь Лейф Эриксон — это первый шаг к осуществлению этой мечты. Мышь оснащена окошком на голове. В верхней части окна находится 2,4 грамма чистой технологической инновации. Портативный «Mini2P», пожалуй, лучше всего можно описать как крошечную корковую обсерваторию, записывающую живые изображения нейронных ландшафтов, подобных которым никогда раньше не видели.
Репортаж в прямом эфире из мозга
В мозгу Мыши Лейфа Эриксона тысячи нейронов работают вместе, чтобы решить очень специфическую задачу. Эта активность видна, поскольку несколько клеток начинают светиться. Вскоре загораются и другие клетки.
Mini2P может записывать в прямом эфире область мозга, отвечающую за навигационные навыки Лейфа. Мерцающие клетки мозга, которые исследователи видят на экране, в то же время позволяют мыши найти свой путь по полу, вверх по башне для лазания, на крышу башни, где ждут вкусные крошки печенья с ванильным кремом.
«Если мы хотим понять сложное поведение, животное должно быть свободно двигаться и вести себя естественным для него образом», — говорит Эдвард Мозер. «Mini2P — это первый инструмент, который позволяет нам изучать активность нейронной сети с высоким разрешением у животных, ведущих естественное поведение».
Большие изобретения приходят в маленьких упаковках
Основные механизмы Mini2P не слишком отличаются от светового микроскопа или человеческого глаза, если уж на то пошло. Наименьшая единица света называется фотоном. Mini2P использует два и два крошечных пучка света от лазера для точного возбуждения и регистрации нейронов с высоким разрешением.
«При разработке Mini2P мы следовали двум правилам, в отношении которых мы не хотели идти на компромисс», — говорит Вейцзянь Цзун. Зонг является первым автором новой статьи, описывающей технологию, и является исследователем в Институте Кавли.
«Первое правило заключалось в том, что любое улучшение оборудования не должно влиять на естественное поведение животного. Поэтому мы знали, что должны уменьшить вес, чтобы сделать микроскоп и его кабель как можно более легкими и гибкими», — сказал он. «Второе правило заключалось в том, что мы не должны ставить под угрозу производительность микроскопа. Если мы хотим, чтобы исследователи инвестировали время в новый инструмент, функции минископа должны работать значительно лучше, чем у его предшественников».
Одной из нескольких блестяще спроектированных особенностей Mini2P является крошечный электрически настраиваемый объектив. Используя статическое напряжение, Цзун смог управлять кривизной хрусталика, не вызывая повышения температуры. Изменение кривизны линзы заставит Mini2P сместить фокальную плоскость между поверхностью и более глубокими клеточными слоями коры, что также позволит регистрировать трехмерную структуру ткани мозга.
Ген, позаимствованный у медузы, заставляет клетки мозга светиться, когда они общаются друг с другом.
Биолюминесценция позволяет исследователям точно видеть, какие клетки принимают участие в разных сегментах разговора. Они также могут наблюдать, как нейронный диалог порождает идеи, которые мышь затем реализует «во внешнем мире».
Исследователи также могут окрашивать клетки мозга в зависимости от генов, которые они экспрессируют, и областей мозга, с которыми они взаимодействуют. Это позволяет исследователям узнать, какие типы клеток мозга должны сотрудничать, чтобы генерировать различные когнитивные способности.
Mini2P записывает одновременно тысячи клеток мозга. Он может следовать за одними и теми же клетками мозга более месяца и удерживать их в фокусе даже во время самых энергичных действий, таких как многократные прыжки с 22-сантиметровой башни. Mini2P может исследовать различные области и психические функции коры головного мозга.
Исследователи протестировали Mini2P в нескольких областях мозга, таких как навигационная система, концентратор памяти и зрительная область. Используя своего рода метод лоскутного одеяла, он может отображать даже более крупные нейронные ландшафты, например, 10 000 клеток мозга в зрительной коре. Все измерения были сделаны, когда мышь свободно двигалась и делала то, что обычно делает. До Mini2P это было просто невозможно.
Сравнение Mini2P с ближайшими существующими технологиями
1-фотонные минископы существуют уже десять лет. У них есть несколько проблем. Разрешение недостаточно, изображение может быть слишком медленным, вы не можете сместить фокальную плоскость по оси Z или их нельзя использовать для большинства участков коры с высокой активностью и высокой плотностью клеток.
Mini2P позволяет делать записи с нескольких плоскостей вдоль оси Z в масштабах от субструктур клеток, таких как ветви аксонов, до топографических карт десяти тысяч клеток. Нынешняя настольная версия двухфотонного микроскопа весит полтонны и занимает почти всю комнату. Настольный микроскоп требует, чтобы голова мыши удерживалась на месте, что ограничивает ее естественное движение. Он также заменяет доступ мыши к реальному миру виртуальной реальностью. Это совсем не похоже на то, что обычно испытывает мышь, а это означает, что ее поведение, вероятно, также не является естественным.
Mini2P, с другой стороны, весит 2,4 грамма, с супергибким лазером и кабелем для сбора света, который позволяет мыши двигаться так же свободно и динамично, как и без ношения Mini2P на голове.
Mini2P с открытым исходным кодом
«Мы считаем, что Mini2P меняет правила игры, и мы хотим поделиться им с нейробиологами и лабораториями по всему миру», — говорит Мэй-Бритт Мозер.
«Объем исследовательских данных, собранных из каждой отдельной записи, также может сыграть роль в сокращении количества животных, используемых в исследованиях», — сказала она. Новый инструмент также может сыграть важную роль в понимании заболеваний головного мозга.
«Болезнь Альцгеймера часто начинается с повреждения энторинальной коры», — говорит Эдвард Мозер. «Мы знаем, что болезнь Альцгеймера вызывает дефицит способности ориентироваться и памяти. Это функции мозга , возникающие в результате совместной работы тысяч клеток мозга ».
«Mini2P предлагает способ мониторинга изменений в динамике между тысячами клеток у свободно перемещающихся мышей с использованием штаммов мышей, которые являются модельными организмами для изучения болезни Альцгеймера», — объясняет он. «Возможность маркировать различные типы клеток может также позволить нам определить, какие клетки уязвимы для ранних изменений, связанных с болезнью Альцгеймера», — сказал Эдвард Мозер.
Mini2P — это изобретение с открытым исходным кодом, доступное в Институте системной неврологии им. Кавли при NTNU в Тронхейме. План, список покупок и обучающие фильмы доступны на GitHub. Позднее в этом году институт также проведет семинары.
Исследование было опубликовано в Cell.
Теги: Альцгеймер
