独特的微型显微镜可以洞察复杂的大脑功能

在自由活动的老鼠身上安装的头戴式装置揭示了大脑各区域是如何相互作用的。

　　

明尼苏达大学双城科学与工程学院和医学院的研究人员开发了一种独特的头戴式微型显微镜装置，使他们能够在300多天的时间内实时成像自由活动小鼠的复杂脑功能。

这种装置被称为微型MScope，提供了一种这是一个重要的新工具，用于研究大脑外部多个区域（称为皮层）的神经活动如何影响行为、认知和知觉。这项开创性的研究为基础研究提供了新的见解，这些基础研究可以改善人脑的状况，如脑震荡、自闭症、老年痴呆症和帕金森氏症，并更好地了解大脑在成瘾中的作用。

这项研究今天发表在同行评议的《自然方法》杂志上。这项研究的作者还将在4月15日星期四举行的“2021年OSA生物光子学大会：生命科学中的光学”上展示他们的研究成果。

过去，科学家们研究了大脑皮层特定区域的神经活动如何影响行为，但同时研究多个皮层区域的活动是困难的。对老鼠来说，即使是对刺激做出反应而移动一根胡须的简单任务也涉及到处理几个皮层区域的信息。老鼠经常被用来研究大脑，因为它们有许多与人类相同的大脑结构和连接性。

“这种装置使我们能够在自由和不受约束的行为中想象老鼠的大部分大脑，而先前的中尺度成像通常是在不动的小鼠身上使用核磁共振成像或双光子显微镜等设备进行的，”该研究的资深作者、明尼苏达大学科学与工程学院机械工程助理教授本杰明·梅休（Benjamin Mayhugh）说这个新设备让我们能够理解在复杂的行为过程中大脑的不同区域是如何相互作用的，在复杂的行为过程中大脑的多个区域同时工作在一起。这为理解疾病状态、创伤性脑损伤或上瘾时的连通性变化开辟了研究领域。”

新型微型MScope是一种荧光显微镜，可以成像10毫米×12毫米的区域，重量约3克。这样就可以对老鼠的大脑表面进行整体成像。该设备用于钙成像，这是一种常用于监测大脑电活动的技术。安装在老鼠头上的装置可以捕捉到接近细胞水平的图像，这使得研究大脑皮层各区域之间的联系成为可能。

研究人员利用LED照明、微型透镜聚焦和互补金属氧化物半导体（CMOS）捕捉图像，创造了这种微型显微镜。它包括联锁磁铁，让它可以很容易地贴在结构逼真的三维打印透明聚合物头骨，被称为见壳，研究人员在以前的研究中开发。当植入小鼠体内时，See外壳创造了一个窗口，通过这个窗口可以进行长期的显微镜检查。这种新的显微镜可以捕捉老鼠近一年的大脑活动。

研究人员演示了微型MScope，通过它来成像老鼠的大脑活动，对眼睛的视觉刺激、对后肢的振动刺激和对胡须的体感刺激作出反应。当一只戴着头戴式显微镜的老鼠与另一只老鼠互动时，他们还绘制了大脑的功能连接图。他们发现，当老鼠与另一只老鼠进行社交行为时，大脑皮层内的连通性会增加。

“我们的团队正在开发一套工具，使我们能够以高时空分辨率访问和连接大脑皮层的大部分，”Mathew Rynes说，明尼苏达大学生物医学工程博士候选人，共同领导了这项研究。”这项研究表明，微型MScope可以用来研究自由行为小鼠的功能连接，这是对这个工具箱的一个重要贡献，明尼苏达大学机械工程硕士研究生丹尼尔·苏里纳赫（Daniel Surinach）说：“这种装置必须足够轻，才能由老鼠支撑和携带。”在这个小范围内，我们还需要优化光学、电气和成像硬件分辨率、聚焦、照明设计，为大脑提供成像所需的光线，以及其他元素，以便在自然和剧烈的行为中获得清晰的老鼠大脑图像。我们最终设计和测试了超过175个独特的原型，以使最终的设备工作！”

研究人员现在正在使用微型MScope来研究大脑皮层连接在各种行为模式中的变化，例如探索新的空间。他们还与使用微型MScope的合作者合作，研究当老鼠学习困难的运动任务时，大脑皮层的活动是如何改变的。

“这种装置让我们能够以以前从未有过的方式来研究大脑，”Kodandaramaiah说，他还在明尼苏达大学生物医学系任职工程和医学院。”例如，我们可以想象老鼠的大脑活动，当它在空间中自然运动时，当它进入睡眠时，当它醒来时，它的大脑活动会起伏。这提供了许多有价值的信息，将帮助我们更好地了解大脑，帮助患有疾病或受伤的人改善他们的生活。”

研究人员说，下一步将提高成像的分辨率，并对大脑进行更细致的研究，以检查单个神经元

Journal Reference:

1. Mathew L. Rynes, Daniel A. Surinach, Samantha Linn, Michael Laroque, Vijay Rajendran, Judith Dominguez, Orestes Hadjistamoulou, Zahra S. Navabi, Leila Ghanbari, Gregory W. Johnson, Mojtaba Nazari, Majid H. Mohajerani, Suhasa B. Kodandaramaiah. Miniaturized head-mounted microscope for whole-cortex mesoscale imaging in freely behaving mice. Nature Methods, 2021; DOI: 10.1038/s41592-021-01104-8