Onderzoeksgroepen onder leiding van prof. Bi Guoqiang, Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC), en prof. Zhou Pengcheng van Shenzhen Institutes of Advanced Technology van de Chinese Academie van Chinese stelden een ontwerp voor voor ultracompacte op het hoofd gemonteerde fluorescentiemicroscopen, die toegepast op neuroobservaties. Het onderzoek is gepubliceerd in National Science Review .

Op het hoofd gemonteerde microscopen worden toegepast voor calciumbeeldvorming bij vrij gedragende dieren. Ruimte- en gewichtsbeperkingen blijven echter een barrière. In deze studie stelden onderzoekers een Tightly Integrated Neuronal Imaging-microscoop (TINIscope) voor met geoptimaliseerde optische, elektronische en mechanische ontwerpen. Met een gewicht van 0,43 g is de TINIscope de lichtste onder de huidige op het hoofd gemonteerde microscopen. Vanwege zijn compactheid is de TINIscope in staat calciumbeeldvorming in meerdere regio's uit te voeren.

In plaats van een serialisatiechip te gebruiken, verzendt de beeldsensor rechtstreeks geserialiseerde gegevens, waardoor een groot deel van de omvang wordt beperkt. Er werden ook enkele andere componenten uitgesneden, waarbij alleen essentiële onderdelen overbleven. De gekrompen sensor maakte een geoptimaliseerd verlichtingsontwerp mogelijk om de afstand tussen optische componenten verder te verkleinen.

TINIscope heeft een nieuw ontwerp toegepast met de plaatsing van de CMOS-sensor aan de zijkant en LED-excitatie aan de bovenkant. Met dichroïsche spiegels die worden toegepast om emissiefluorescentie naar sensoren te reflecteren, kunnen meerdere TINIscopen worden geroteerd om hun sensoren ruimtelijk te verdelen. Daarom werd beeldvorming in meerdere regio's bereikt. Ten slotte werd een commutator ontwikkeld om verstrengeling door de beweging van de muis te voorkomen.

In het experiment werd het calciumgevoelige fluorescerende eiwit GCaMP6s toegepast en werd in elk van de vier hippocampale subregio's van een muis een GRIN-lens geïmplanteerd. De apparatuur van TINIscope bleek geen duidelijke invloed te hebben op het gedrag van de muizen.

Vervolgens werden een T-doolhoftest en een gemodificeerde open-veldarenatest uitgevoerd, en werd wederzijdse informatieanalyse gebruikt om neuronen te identificeren die ruimtelijke afstemming vertoonden. De resultaten toonden aan dat de geregistreerde gebieden allemaal ruimtelijk afgestemde neuronen bevatten met een aandeel van ongeveer 20%.

Door gebruik te maken van de compactheid van TINIscope kunnen andere modules worden gecombineerd om multimodale experimenten te realiseren. Onderzoekers integreerden TINIscope met optogenetische stimulatie en elektrische stimulatie en registreerden de neuronen die reageerden op stimulaties.

Er werd ook calciumbeeldvorming uitgevoerd in combinatie met elektrode-opnamen in hetzelfde hersengebied, waardoor verschillende golfvormen konden worden gedetecteerd die zich in de hippocampus voortplantten, zoals scherpe golfrimpelingen.

Meer informatie: Feng Xue et al, Multiregionale calciumbeeldvorming bij vrij gedragende muizen met ultracompacte op het hoofd gemonteerde fluorescentiemicroscopen, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad294

Aangeboden door de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China