Наблюдая за свободно действующим мозгом в действии

Last Updated on 22.05.2020 by

Ученые, работающие в Цезарь, разработали небольшой микроскоп на голове, который позволяет получить доступ к внутренней работе мозга. Новая система позволяет измерять активность нейрональных популяций, расположенных в глубоком кортикальном слое, с разрешением в одну клетку у животного, которое свободно ведет себя.

Понимание того, как схемы мозга животных генерируют поведение в ответ на окружающую среду, является одной из главных целей нейробиологии. В то время как можно изучать поведение животных, наблюдая, как животное решает проблемы, понимание роли мозга в формировании поведения требует одновременного измерения активности мозга.

Визуализация in vivo не является чем-то новым в биологии: она берет свое начало с самого начала микроскопии. Чтобы заглянуть внутрь мозга, можно использовать специальные микроскопы, которые могут видеть сквозь ткани, позволяя наблюдать за работой нейронных цепей. Использование микроскопа для визуализации нейронной активности имеет то преимущество, что является относительно неинвазивным. Установленный вне мозга, микроскоп просто посылает свет в мозг, в свою очередь, получая свет, излучаемый мозгом. В то время как обычные микроскопы слишком тяжелые, чтобы обеспечить функциональную визуализацию у животных со свободным поведением, в последние годы значительные усилия были направлены на разработку миниатюрных микроскопов, устанавливаемых на голове.

В 2009 году группа Джейсона Керра в сотрудничестве с группой Уинфрида Денка из Института нейробиологии им. Макса Планка (Martinsried) создали миниатюрный многофотонный микроскоп с головным креплением. Это позволило регистрировать активность от популяций нейронов, расположенных в нескольких верхних слоях зрительной коры сознательных, свободно движущихся крыс. В то время как этот «двухфотонный фиброскоп» стал прорывом в измерении мозговой активности у животных со свободным поведением , большинство корковых слоев оставалось недосягаемым. Чтобы отобразить более глубокие слои коры на клеточном уровне , необходим новый подход.

В сотрудничестве с группой Филиппа Рассела в Институте Наук Света Макса Планка группа Керра в настоящее время разработала небольшой многофотонный микроскоп с головным креплением, способный отображать все кортикальные слои у свободно движущейся крысы. Свет доставляется через специально разработанное и изготовленное стекловолокно, использующее «трехфотонный эффект» для изображения нейронной активности, расположенной в глубоких кортикальных слоях. По сравнению с двухфотонной или однофотонной флуоресцентной микроскопией, трехфотонная микроскопия идеально подходит для получения более глубоких изображений в рассеивающей ткани и позволяет получать более четкие изображения отдельных клеток в глубине ткани. Новый микроскоп обеспечивает непрерывную визуализацию популяций нейронов, даже когда животное работает или выполняет сложные поведенческие задачи в течение длительных периодов времени.

Исследователи ожидают, что фиброскоп будет широко применим к поведенческим исследованиям, так как предыдущие микроскопы были ограничены по глубине визуализации и не подходили для использования в течение длительных периодов времени, ограничивая типы поведения, которые можно было наблюдать. Благодаря этому новому подходу исследователи теперь могут понять сложную динамику сети, которая лежит в основе нейронных вычислений, которые, в свою очередь, формируют основу восприятия и поведения.