Den mänskliga hjärnan har miljarder neuroner. Genom att arbeta tillsammans möjliggör de högre ordningens hjärnfunktioner som kognition och komplexa beteenden. För att studera dessa högre ordningens hjärnfunktioner är det viktigt att förstå hur neural aktivitet koordineras över olika hjärnregioner.
Även om tekniker som funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) kan ge insikter i hjärnans aktivitet, kan de bara visa så mycket information för en given tid och område. Tvåfotonmikroskopi som involverar användning av kraniala fönster är ett kraftfullt verktyg för att producera högupplösta bilder, men konventionella kraniala fönster är små, vilket gör det svårt att studera avlägsna hjärnregioner samtidigt.
Nu har ett team av forskare under ledning av Exploratory Research Centre on Life and Living Systems (ExCELLS) och National Institute for Physiological Sciences (NIPS) introducerat en ny metod för in vivo hjärnavbildning, som möjliggör storskalig och långtidsobservation av neuronala strukturer och aktiviteter hos vakna möss.
Denna metod kallas "nanosheet incorporated into light-curable resin" (NIRE)-metoden, och den använder fluorpolymer nanosheets täckta med ljushärdbar harts för att skapa större kranialfönster.
"NIRE-metoden är överlägsen tidigare metoder eftersom den producerar större kraniala fönster än tidigare möjligt, som sträcker sig från parietal cortex till lillhjärnan, med användning av det biokompatibla nanoskiktet och det transparenta ljushärdbara hartset som ändrar form från flytande till fast," säger huvudförfattare Taiga Takahashi från Tokyo University of Science and Excel.
I NIRE-metoden används ljushärdbart harts för att fixera polyetylenoxidbelagd CYTOP (PEO-CYTOP), ett bioinert och transparent nanoark, på hjärnytan. Detta skapar ett "fönster" som passar tätt mot hjärnans yta, även den mycket krökta ytan av lillhjärnan, och bibehåller dess transparens under lång tid med liten mekanisk stress, vilket gör att forskare kan observera flera hjärnregioner hos levande möss.
"Dessutom visade vi att kombinationen av PEO-CYTOP nanosheets och ljushärdande harts möjliggjorde skapandet av starkare kranialfönster med större transparens under längre tidsperioder jämfört med vår tidigare metod. Som ett resultat fanns det få rörelseartefakter, dvs. är, förvrängningar i bilderna orsakade av vakna möss rörelser", säger Takahashi.
De kraniala fönstren möjliggjorde högupplöst avbildning med submikrometerupplösning, vilket gör dem lämpliga för att observera morfologin och aktiviteten hos fina neurala strukturer.
"Viktigt är att NIRE-metoden möjliggör att avbildning kan utföras under en längre period på mer än 6 månader med minimal påverkan på transparensen. Detta bör göra det möjligt att bedriva långsiktig forskning om neuroplasticitet på olika nivåer - från nätverksnivå till cellulär nivå – såväl som under mognad, inlärning och neurodegeneration", förklarar motsvarande författare Tomomi Nemoto på ExCELLS och NIPS.
Denna studie är en betydande prestation inom området neuroimaging eftersom denna nya metod ger ett kraftfullt verktyg för forskare att undersöka neurala processer som tidigare var svåra eller omöjliga att observera. Specifikt bör NIRE-metodens förmåga att skapa stora kraniala fönster med långvarig transparens och färre rörelseartefakter möjliggöra storskalig, långtids- och flerskalig in vivo hjärnavbildning.
"Metoden lovar att reda ut mysterierna med neurala processer associerade med tillväxt och utveckling, inlärning och neurologiska störningar. Potentiella tillämpningar inkluderar undersökningar av neurala populationskodningar, ombyggnad av neurala kretsar och högre ordningens hjärnfunktioner som är beroende av koordinerad aktivitet över hela världen. distribuerade regioner", säger Nemoto.
Sammanfattningsvis ger NIRE-metoden en plattform för att undersöka neuroplastiska förändringar på olika nivåer under längre perioder hos djur som är vakna och engagerade i olika beteenden, vilket ger nya möjligheter att förbättra vår förståelse av hjärnans komplexitet och funktion.
Mer information: Taiga Takahashi et al, Storskaligt kraniellt fönster för in vivo mushjärnavbildning med användning av fluorpolymer nanoark och ljushärdbart harts, Communications Biology (2024).
Journalinformation: Kommunikationsbiologi
Tillhandahålls av National Institutes of Natural Sciences
