Een implanteerbare miniatuur microscoop kunt onderzoekers volgen de activiteit van de hersenen van muizen in real-time, als de dieren het voer voor eten of te navigeren door een doolhof. Het is als een kleine GoPro voor de wakkere brein.
Wel de nVista systeem, het is het geesteskind van Mark Schnitzer, een professor in de biologie en de natuurkunde aan de Universiteit van Stanford, die mede-oprichter van een start-up bedrijf met de naam Inscopix tot de markt van het apparaat. Er zijn momenteel meer dan 200 van zulke systemen worden gebruikt in meer dan 100 laboratoria over de hele wereld, en dat aantal is nog steeds groeiende.
Er zijn verschillende brain imaging technologieën die er zijn voor het opnemen van de hersenactiviteit, meestal door het plaatsen van elektroden direct in de hersenen en het opnemen van groepen van neuronen. Maar de zoogdieren hersenen bestaan uit 100 miljard neuronen, en dergelijke technieken toe alleen beeldvorming van tussen de 20 en 50 cellen. Schnitzer vergelijkt het te gaan om een film en proberen te achterhalen van het totale perceel door te kijken naar slechts een paar pixels. “We zijn waarschijnlijk ontbreekt enorme stukken van de puzzel,” vertelde hij aan Gizmodo. “We hebben het niet krijgen van een gevoel van collectieve actie—wat ik noem de orkestrale actie.”
Functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) en PET-scans worden andere tools vaak gebruikt om een idee te krijgen van wat er in de hersenen in real-time, maar deze dienst indirecte maatregelen. Specifiek, stijgt in het bloed zuurstof niveaus worden gebruikt voor het afleiden van de hersenen regio ‘ s tonen een verhoogde activiteit. “Stel je voor dat je probeert te ontcijferen wat het moederbord van uw computer aan het doen is met behulp van de gegevens van een warmte camera,” zei Schnitzer. “Je zou kunnen opmerken dat het moederbord is af te geven meer warmte, maar het is niet per se te gaan om je op dat veel dichter bij het ontcijferen van wat de transistoren doen, of hoe de informatie stroomt.”
Dat is waar de nVsita systeem in komt. Het is een miniatuur microscoop, slechts een centimeter lang, dat is gemonteerd op het hoofd van een volwassen muis, samen met een mobiele telefoon met camera (een mini CMOS image sensor) en een lichtbron. Het is nu gebruikelijk om genetisch wijzigen van een bepaald type neuron in muizen te lichten (lichten) in reactie op verhoogde hersenen activiteiten. Dat fluorescentie feller de meer actieve deze neuronen zijn, en dit licht is opgepikt door de mini-microscoop en opgenomen door de camera.
Gesponsord
De nVista is licht genoeg (ongeveer het gewicht van vier katoenen ballen) dat het dier kan gaan over zijn bedrijf en heel natuurlijk, terwijl nog het toestaan van onderzoekers te controleren hersenen activiteit in real time. Het kan traceren tot 1000 individuele neuronen tegelijk.
“Dus we zijn begin om een kijkje te krijgen in het collectieve orkest-actie, wat een grote vergadering van cellen aan het doen zijn in de context van het natuurlijke gedrag,” zei Schnitzer. “Er zijn vormen van neurale activiteit die je gewoon niet zal zien als het dier niet gedraagt zich op die specifieke manier. Als u bijvoorbeeld bent geïnteresseerd in het bestuderen van de motor circuit van de hersenen, de motor circuits worden verschillende vormen van activiteit, wanneer het dier is eigenlijk verhuizen dan wanneer het niet bewegen.”
Een onderzoeker die vond dat het systeem nuttig is Garrret Stuber, een neurowetenschapper aan de University of North Carolina, Chapel Hill. Vorig jaar, hij en een aantal collega ‘ s een paper gepubliceerd in het tijdschrift Cell rapportage hoe ze had belicht de activiteit patronen van individuele hersencellen in muizen als de dieren foraged voor voedsel. Dit laat hen bepaald gedrag in een specifieke neuronen.
Specifiek, ze ontdekt dat terwijl het ene neuron werd geactiveerd wanneer de muis gezocht voor voedsel, een tweede bijna identieke neuron rechts naast het werd pas actief wanneer de muis begon te eten. Dat betekent dat targeting clusters van hersencellen—zeggen, met drugs om obesitas tegen te gaan—misschien niet een effectieve aanpak. “Je zou niet willen invloed op de cellen die betrokken zijn in de eetlust, want je kan van invloed zijn cellen die betrokken zijn in andere aspecten van gemotiveerd gedrag,” Stuber zei op het moment. “Maar als we het doel alleen de cellen die betrokken zijn in het verbruik, dan is het misschien kunnen we moduleren alleen die cellen zonder invloed op de motivatie.”
Dit experiment zou niet mogelijk zijn geweest zonder de nVista microscoop, volgens Stuber. “Het stelt ons in staat om echt het vastleggen van de activiteit dynamiek van de echt grote schaal populaties van neuronen in wakker wordt en zich de dieren,” zei hij. “De traditionele beeldvorming zou het niet toestaan ons te nemen dit soort activiteiten diep in de hersenen van vrij bewegende muizen.”
Andere onderzoeksgroepen zijn met behulp van het systeem te bestuderen neuronale activiteit als het gaat om angst, beloning, leren en drugsverslaving in muis hersenen, evenals het identificeren van afzonderlijke hersenen circuits voor de verwerking van de “wanneer” en waar” aspecten van het geheugen.
Inscopix zal doorgaan met het verfijnen van de nVista systeem, gebaseerd op de feedback van de onderzoekers met behulp van het, volgens Schnitzer. In de tussentijd, “mensen te Laten verkennen en te zien wat voor soort experimenten kunnen ze doen echt heeft geopend tot de toepassingen”, zei hij. “Dat is ongelooflijk goed.”
Beelden met dank aan Mark Schnitzer/Stanford en Inscopix.