Onderzoekers hebben een op het hoofd gemonteerde miniatuurmicroscoop ontwikkeld die kan worden gebruikt om de activiteit van het hele buitenste deel van de hersenen in beeld te brengen, of schors, in vrij gedragende muizen. In combinatie met implanteerbare doorzichtige schedels, de nieuwe microscoop kan de hersenactiviteit van muizen meer dan 300 dagen vastleggen.

Muizen worden vaak gebruikt om de hersenen te bestuderen omdat ze veel van dezelfde hersenstructuren en connectiviteit hebben als mensen. De nieuwe microscoop, bekend als de mini-mScope, biedt een belangrijk nieuw hulpmiddel om te bestuderen hoe neurale activiteit van meerdere regio's van de cortex bijdragen aan gedrag, cognitie en perceptie.

Mathew L. Rynes van de Universiteit van Minnesota, Tweeling steden, USA zal het onderzoek presenteren op het volledig virtuele 2021 OSA Biophotonics Congress:Optics in the Life Sciences dat van 12-16 april wordt gehouden. Daniel Surinach leidde de studie. De presentatie staat gepland voor donderdag, 15 april om 10:00 PDT (UTC-07:00).

Hoewel wetenschappers veel vooruitgang hebben geboekt bij het begrijpen hoe neurale activiteit in specifieke regio's van de hersenschors bijdraagt ​​aan gedrag, het was moeilijk om de activiteit van meerdere corticale regio's tegelijk te bestuderen. Voor muizen, zelfs de eenvoudige taak van het verplaatsen van een enkele snorhaar als reactie op een stimulus omvat het verwerken van informatie in verschillende corticale gebieden.

"Met de mini-mScope kan het grootste deel van de dorsale cortex worden afgebeeld tijdens vrij en ongeremd gedrag, "zei Rynes. "Dit zou neurowetenschappers in staat kunnen stellen om de hersenen tijdens complex gedrag holistisch te onderzoeken, of om te begrijpen hoe corticale regio's op elkaar inwerken tijdens gedrag. Dit opent onderzoek naar het begrijpen hoe connectiviteit verandert in zieke toestanden, traumatisch hersenletsel of verslaving."

De nieuwe mini-mScope is een fluorescentiemicroscoop die kan worden gebruikt voor calciumbeeldvorming, een techniek die vaak wordt gebruikt om de elektrische activiteit van de hersenen te controleren. Het op het hoofd gemonteerde apparaat legt beelden vast op bijna cellulair niveau, waardoor het mogelijk wordt om verbindingen tussen regio's in de cortex te bestuderen.

De onderzoekers creëerden de geminiaturiseerde microscoop met behulp van LED's voor verlichting, miniatuurlenzen om scherp te stellen en een sCMOS-camera om foto's te maken. Het bevat in elkaar grijpende magneten waarmee het gemakkelijk kan worden bevestigd aan morfologisch realistische, 3D-geprinte transparante polymeerschedels bekend als See-Shells die de onderzoekers eerder ontwikkelden. Wanneer geïmplanteerd in muizen, de See-Shells creëren een venster waardoor microscopie op lange termijn kan worden uitgevoerd. Bij eerdere experimenten is muizen hebben tot een jaar geleefd met geïmplanteerde See-Shells.

Ze demonstreerden de mini-mScope door deze te gebruiken om de hersenactiviteit van muizen in beeld te brengen als reactie op een visuele stimulus voor het rechteroog, een vibrerende stimulus aan de rechter achterpoot en een somatosensorische stimulus gepresenteerd aan de rechter snorhaar. Ze creëerden ook functionele connectiviteitskaarten van de hersenen terwijl een muis die de op het hoofd gemonteerde microscoop droeg, in wisselwerking stond met een andere muis. Ze zagen dat de intracorticale connectiviteit toenam wanneer de muis sociaal gedrag vertoonde.

"Ons team creëert een reeks hulpmiddelen waarmee we toegang hebben tot en communiceren met grote delen van de cortex met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie, " zei Rynes. "Deze studie toont aan dat de mini-mScope kan worden gebruikt om functionele connectiviteit te bestuderen bij vrij gedragende muizen, waardoor het een belangrijke bijdrage levert aan deze toolkit."

De onderzoekers gebruiken nu de mini-mScope om te onderzoeken hoe corticale connectiviteit verandert in verschillende gedragsparadigma's, zoals het verkennen van een nieuwe ruimte. Ze werken ook samen met medewerkers om de mini-mScope te gebruiken om te bestuderen hoe corticale activiteit verandert wanneer muizen moeilijke motorische taken leren.