Forskare har utvecklat ett huvudmonterat miniatyrmikroskop som kan användas för att avbilda aktivitet från hela den yttre delen av hjärnan, eller cortex, i fritt uppträdande möss. I kombination med implanterbara genomskinliga skallar, det nya mikroskopet kan fånga hjärnaktiviteten hos möss i mer än 300 dagar.
Möss används ofta för att studera hjärnan eftersom de har många av samma hjärnstrukturer och anslutningsmöjligheter som människor. Det nya mikroskopet, känd som mini-mScope, erbjuder ett viktigt nytt verktyg för att studera hur neural aktivitet från flera regioner i cortex bidrar till beteende, kognition och perception.
Mathew L. Rynes från University of Minnesota, Tvillingstäder, USA kommer att presentera forskningen vid den helt virtuella 2021 OSA Biophotonics Congress:Optics in the Life Sciences som hålls 12-16 april. Daniel Surinach ledde studien. Presentationen är planerad till torsdag, 15 april kl. 10:00 PDT (UTC-07:00).
Även om forskare har gjort stora framsteg i att förstå hur neural aktivitet i specifika regioner av hjärnans cortex bidrar till beteende, det har varit svårt att studera aktivitet från flera kortikala regioner samtidigt. För möss, även den enkla uppgiften att flytta ett enda morrhår som svar på en stimulans involverar bearbetning av information i flera kortikala områden.
"Mini-mScope gör att det mesta av dorsal cortex kan avbildas under fria och ohämmade beteenden, ", sa Rynes. "Detta kan göra det möjligt för neuroforskare att undersöka hjärnan under komplexa beteenden holistiskt, eller för att förstå hur kortikala regioner interagerar under beteenden. Detta öppnar upp forskning om att förstå hur anslutningsmöjligheter förändras i sjukdomstillstånd, traumatisk hjärnskada eller missbruk."
Det nya mini-mScope är ett fluorescensmikroskop som kan användas för kalciumavbildning, en teknik som vanligtvis används för att övervaka hjärnans elektriska aktivitet. Den huvudmonterade enheten tar bilder på nära cellnivå, gör det möjligt att studera samband mellan regioner över cortex.
Forskarna skapade det miniatyriserade mikroskopet med lysdioder för belysning, miniatyrobjektiv för fokusering och en sCMOS-kamera för att ta bilder. Den inkluderar sammankopplade magneter som gör att den enkelt kan fästas till morfologiskt realistiska, 3-D-tryckta transparenta polymerskallar som kallas See-Shells som forskarna utvecklat tidigare. När de implanteras i möss, See-Shells skapar ett fönster genom vilket långtidsmikroskopi kan utföras. I tidigare experiment, möss har levt med implanterade See-Shells i upp till ett år.
De demonstrerade mini-mScope genom att använda det för att avbilda mushjärnans aktivitet som svar på en visuell stimulans till höger öga, en vibrationsstimulus till höger bakben och en somatosensorisk stimulans som presenteras till höger morrhår. De skapade också funktionella anslutningskartor över hjärnan när en mus som bär det huvudmonterade mikroskopet interagerade med en annan mus. De såg att intrakortikal anslutning ökade när musen ägnade sig åt sociala beteenden.
"Vårt team skapar en uppsättning verktyg som gör det möjligt för oss att komma åt och gränssnitta med stora delar av cortex med hög rumslig och tidsmässig upplösning, ", sa Rynes. "Denna studie visar att mini-mScope kan användas för att studera funktionella anslutningar i fritt uppträdande möss, gör det till ett viktigt bidrag till denna verktygslåda."
Forskarna använder nu mini-mScope för att undersöka hur kortikala anslutningsmöjligheter förändras i en mängd olika beteendeparadigm, som att utforska ett nytt utrymme. De arbetar också med medarbetare för att använda mini-mScope för att studera hur kortikal aktivitet förändras när möss lär sig svåra motoriska uppgifter.
