Это мечта нейробиолога: иметь возможность отслеживать миллионы взаимодействий между клетками мозга у животных, которые свободно передвигаются, ведя себя так, как в естественных условиях. Новая технология, разработанная в Университете Рокфеллера, представляет собой большой шаг к достижению этой цели.
Изобретение, о котором сегодня сообщалось в журнале Nature Methods, должно дать исследователям динамический инструмент для изучения роли мозга в различных формах поведения. Хотя он предназначен для использования на мышах, информация, полученная из него, может когда-нибудь пролить свет на активность нейронов и у людей, говорит Алипаша Вазири, руководившая разработкой технологии в качестве главы Лаборатории нейротехнологии и биофизики. Например, это может позволить нам лучше понять нейронную основу таких заболеваний головного мозга, как аутизм и шизофрения.
Вазири говорит, что этот инструмент открывает путь к захватывающим открытиям. Например, когда животное перемещается в окружающей среде, одни нейроны управляют пространственной навигацией, в то время как другие получают сенсорную обратную связь от изменений положения тела или зрительной системы. «До сих пор никому не удавалось обнаружить, как эти разные нейроны, которые могут располагаться на разной глубине внутри объема мозговой ткани, динамически взаимодействуют друг с другом у свободно движущегося грызуна», - говорит Вазири, доцент Рокфеллеровского университета.. Точно так же этот инструмент можно использовать для записи взаимодействия между нейронами, когда два животных встречаются и взаимодействуют социально.
Высокотехнологичный головной убор
Технология состоит из крошечного микроскопа, прикрепленного к голове мыши и оснащенного специальной группой линз, называемой массивом микролинз. Эти линзы позволяют микроскопу захватывать изображения под разными углами и с разных глубин на сенсорный чип, создавая трехмерную запись нейронов, мигающих и выключающихся, когда они общаются друг с другом посредством электрохимических импульсов. (В экспериментах нейроны мышей генетически модифицированы, чтобы они загорались при активации.) Коаксиальный кабель, прикрепленный к верхней части микроскопа, передает данные для записи. Наголовное устройство весит около четырех граммов, примерно столько, сколько может выдержать мышь, но Вазири ожидает, что запланированные модификации сделают его значительно легче.
После того, как массив микролинз зафиксировал сенсорные изображения внутри объема мозговой ткани, следующей задачей является обработка этих необработанных данных. Мозговая ткань непрозрачна, что затрудняет точное определение источника каждой нейронной вспышки света. Команда Вазири решила эту проблему, являющуюся результатом так называемого рассеяния, разработав новый компьютерный алгоритм. «Алгоритм использует статистические свойства распределения нейронов в пространстве и активности, - объясняет Вазири, - извлекая дополнительную информацию из рассеянного излучения света. Это позволяет одновременно и точно регистрировать их активность в объеме, несмотря на сильно рассеивающие свойства ткани».
В результате получается четкое изображение, на котором последовательно мигают отдельные нейроны.
Быстрее и эффективнее визуализация
Лаборатория Вазири ранее применяла этот алгоритм, известный под аббревиатурой SID, в исследованиях, в которых головы мышей закреплялись в фиксированном положении. Их последнее исследование впервые продемонстрировало, что эти изобретения можно использовать вместе с крошечным микроскопом под названием Miniscope, разработанным совместной группой из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, для объемного измерения активности нейронов у животных без ограничений.
Технология, если она будет широко распространена, может предложить несколько преимуществ по сравнению с двухфотонной микроскопией, широко используемым инструментом нейробиологии. Например, двухфотонная микроскопия регистрирует активность нейронов в отдельных фокальных плоскостях - тонких виртуальных «срезах» образца, которые затем объединяются для создания трехмерного изображения. В отличие от этого, метод Вазири сразу же собирает данные в трех измерениях по всему объему ткани, что делает его более быстрым и эффективным.
Вазири планирует продолжить разработку инструментов для записи нейронной активности в еще больших частях мозга, чем это возможно в настоящее время, с более высокими скоростями и разрешением. «Мы надеемся, что эта работа в конечном итоге приведет к более глубокому пониманию того, как мозг обрабатывает информацию, лежащую в основе формирования поведения», - говорит он.