En implanterbar miniatyr mikroskop kan forskere spor hjernens aktivitet av mus i sanntid, som fôr for dyr mat eller navigere i en labyrint. Det er som et lite GoPro for det gnager i hjernen.
Kalt nVista system, det er ideen om Mark Schnitzer, professor i biologi og anvendt fysikk ved Stanford University, som grunnla en start-up selskap kalt Inscopix til markedet enheten. Det finnes i dag over 200 slike systemer blir brukt i mer enn 100 laboratorier rundt om i verden, og at antallet er fortsatt økende.
Det er flere brain imaging technologies ute for registrering av hjernens aktivitet, vanligvis ved å sette inn elektroder direkte inn i hjernen og opptak grupper av nerveceller. Men hjernen hos pattedyr har 100 milliarder nevroner, og slike teknikker tillater bare avbildning av mellom 20 og 50 celler. Schnitzer sammenligner det å gå til en film, og prøver å finne ut den totale tomten ved å se på bare noen få punkter. “Vi er trolig manglende enorme biter av puslespillet,” sa han til Gizmodo. “Vi ikke får en følelse av kollektiv handling—hva jeg liker å kalle den orkestrale handling.”
Funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) og PET-skanner er andre verktøy som ofte brukes for å få en følelse av hva som skjer i hjernen i sanntid, men disse benytter indirekte tiltak. Spesielt, øker i blodet oksygen nivåer er brukt til å utlede hjernen regioner som viser økt aktivitet. “Tenk deg at du prøver å tyde hva din datamaskin-hovedkort er å gjøre ved hjelp av data fra en varme kameraet,” sa Schnitzer. “Du vil kanskje legge merke til at hovedkortet er å gi ut mer varme, men det er ikke nødvendigvis kommer til å få deg som er mye nærmere å tyde hva transistorer gjør, eller hvordan informasjonen flyter.”
Det er der nVsita system kommer inn. Det er en miniatyr mikroskop, bare en tomme lang, som er montert direkte på hodet av en voksen mus, sammen med en mobiltelefon, kamera (en mini CMOS bilde sensor) og en lyskilde. Det er nå vanlig praksis å genetisk modifisere en bestemt type av nevron i mus til å lyse opp (fluoresce) i respons til økt hjerneaktivitet. Som fluorescens blir lysere og mer aktive de nevroner, og dette lys blir plukket opp av mini-mikroskop og tatt opp med kameraet.
Sponset
Den nVista er lys nok (omtrent vekten av fire bomull baller) at dyr kan gå om sin virksomhet, helt naturlig, mens du fortsatt tillater forskere å overvåke hjernens aktivitet i sanntid. Det kan spore opptil 1000 individuelle nerveceller samtidig.
“Så vi er i ferd med å få en titt på den kollektive orkestrale action, hva en stor forsamling av celler gjør i sammenheng med naturlige atferd,” sa Schnitzer. “Det er former av nevrale aktiviteten som du rett og slett ikke vil se om dyret er ikke oppfører seg på den bestemte måte. For eksempel, hvis du er interessert i å studere motor krets av hjernen, motor kretser vil vise forskjellige former for aktivitet når dyret er faktisk beveger seg, enn når det ikke er i bevegelse.”
En forsker som har funnet system nyttig er Garrret Stuber, en hjerneforsker ved Universitetet i North Carolina, Chapel Hill. Siste år, han og flere kolleger publisert en artikkel i tidsskriftet Cell rapportering av hvordan de hadde avbildes aktiviteten mønstre av individuelle hjernen celler i mus som dyr foraged for mat. Dette la dem link bestemt atferd til bestemte nerveceller.
Spesielt, de fant at mens en nevron ble aktivert når musen søkte etter mat, et sekund, nesten identisk nevron rett ved siden av det bare ble aktiv når musen begynte å spise. Det betyr at målretting klynger av hjerneceller—si, med legemidler for å bekjempe fedme—kan ikke være en effektiv tilnærming. “Du ville ikke ønsker å påvirke celler som er involvert i appetitt, fordi du kan påvirke celler som er involvert i andre deler av motiverte atferd,” Stuber sa på den tiden. “Men hvis vi kunne målrette bare de cellene som er involvert i forbruk, så kanskje vi kunne modulere bare de cellene uten at det påvirker motivasjon.”
Dette eksperimentet ville ikke ha vært mulig uten den nVista mikroskop, i henhold til Stuber. “Det gir oss muligheten til å virkelig fange aktivitet dynamics av disse er virkelig stor skala populasjoner av nerveceller i våken og oppfører seg som dyr,” sa han. “Tradisjonell imaging teknikker ville ikke tillate oss å ta opp denne type aktivitet dypt inne i hjernen til fritt å flytte mus.”
Andre forskergrupper ved hjelp av systemet til å studere neuronal aktivitet som det er relatert til frykt, belønning, læring, og narkotikamisbruk i mus hjerner, samt å identifisere separat hjernen kretser for behandling av “når” og hvor” aspekter av minne.
Inscopix vil fortsette å avgrense nVista system, basert på tilbakemeldinger fra forskere som bruker det, i henhold til Schnitzer. I mellomtiden, “å La folk få utforske den og se hva slags eksperimenter de kan gjøre har virkelig åpnet opp et sett av programmer,” sa han. “Det er blitt utrolig oppmuntrende.”
Bilder gjengitt med tillatelse av Mark Schnitzer/Stanford og Inscopix.