El nuevo mini microscopio permite obtener imágenes de funciones cerebrales complejas en ratones que se mueven libremente



Investigadores de la Facultad de Ciencias e Ingeniería y Facultad de Medicina de las Ciudades Gemelas de la Universidad de Minnesota han desarrollado un dispositivo minicroscopio único montado en la cabeza que les permite obtener imágenes de funciones cerebrales complejas de ratones que se mueven libremente en tiempo real durante un período de más de 300 días. .

El dispositivo, conocido como mini-MScope, ofrece una nueva herramienta importante para estudiar cómo la actividad neuronal de múltiples regiones de la parte externa del cerebro, llamada corteza, contribuye al comportamiento, la cognición y la percepción. El innovador estudio proporciona una nueva perspectiva de la investigación fundamental que podría mejorar las condiciones del cerebro humano, como las conmociones cerebrales, el autismo, el Alzheimer y la enfermedad de Parkinson, así como una mejor comprensión del papel del cerebro en la adicción.

La investigación fue publicada hoy en la revista revisada por pares. Métodos de la naturaleza. Los autores del estudio también presentarán su investigación en el Congreso de Biofotónica OSA virtual 2021: Óptica en la vida el jueves 15 de abril.

En el pasado, los científicos han estudiado cómo la actividad neuronal en regiones específicas de la corteza cerebral contribuye al comportamiento, pero ha sido difícil estudiar la actividad de múltiples regiones corticales a la vez. Para los ratones, incluso la simple tarea de mover un solo bigote en respuesta a un estímulo implica procesar información en varias áreas corticales. Los ratones se utilizan a menudo para estudiar el cerebro porque tienen muchas de las mismas estructuras cerebrales y conectividad que los humanos.

Este dispositivo nos permite obtener imágenes de la mayor parte del cerebro del ratón durante comportamientos libres y desenfrenados, mientras que las imágenes de mesoescala anteriores generalmente se realizaban en ratones inmóviles utilizando dispositivos como la resonancia magnética o dos microscopios de fotones. Este nuevo dispositivo nos permite comprender cómo las diferentes áreas del cerebro interactúan durante conductas complejas donde múltiples áreas del cerebro están trabajando juntas simultáneamente. Esto abre la investigación para comprender cómo cambia la conectividad en estados de enfermedad, lesión cerebral traumática o adicción “.

Suhasa Kodandaramaiah, autor principal del estudio y profesor adjunto de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Minnesota Benjamin Mayhugh en la Facultad de Ciencias e Ingeniería

El nuevo mini-MScope es un microscopio de fluorescencia que puede obtener imágenes de un área de unos 10 milímetros por 12 milímetros y pesa unos 3 gramos. Esto permite obtener imágenes holísticas de gran parte de la superficie del cerebro del ratón. El dispositivo se usa para obtener imágenes de calcio, una técnica comúnmente utilizada para monitorear la actividad eléctrica del cerebro. El dispositivo montado en la cabeza del ratón captura imágenes casi al nivel celular, lo que permite estudiar las conexiones entre las regiones de la corteza.

Los investigadores crearon el microscopio miniaturizado utilizando LED para iluminación, lentes en miniatura para enfocar y un semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS) para capturar imágenes. Incluye imanes entrelazados que permiten colocarlo fácilmente en cráneos de polímero transparente impresos en 3D estructuralmente realistas, conocidos como See-Shells, que los investigadores desarrollaron en estudios anteriores. Cuando se implantan en ratones, los See-Shells crean una ventana a través de la cual se puede realizar la microscopía a largo plazo. El nuevo microscopio puede capturar la actividad cerebral de ratones durante casi un año.

Los investigadores demostraron el mini-MScope usándolo para obtener imágenes de la actividad cerebral del ratón en respuesta a un estímulo visual en el ojo, un estímulo vibratorio en la extremidad trasera y un estímulo somatosensorial presentado al bigote. También crearon mapas de conectividad funcional del cerebro cuando un ratón que llevaba el microscopio montado en la cabeza interactuaba con otro ratón. Vieron que la conectividad intracortical aumentaba cuando el ratón realizaba comportamientos sociales con el otro ratón.

“Nuestro equipo está creando un conjunto de herramientas que nos permitirán acceder e interactuar con grandes partes de la corteza en alta resolución espacial y temporal”, dijo Mathew Rynes, Ph.D. en ingeniería biomédica de la Universidad de Minnesota. candidato que codirigió el estudio. “Este estudio muestra que el mini-MScope se puede utilizar para estudiar la conectividad funcional en ratones que se comportan libremente, lo que lo convierte en una contribución importante a este conjunto de herramientas”, agregó Rynes.

El equipo tuvo que superar varios desafíos de ingeniería para crear el dispositivo.

“Para obtener imágenes del cerebro en ratones que se comportan libremente, el dispositivo tenía que ser lo suficientemente liviano para que los ratones lo sostuvieran y lo llevaran”, dijo Daniel Surinach, un recién graduado de maestría en ingeniería mecánica de la Universidad de Minnesota que también codirigió el estudio. . “Dentro de este pequeño rango, también necesitábamos optimizar la óptica, la resolución del hardware eléctrico y de imágenes, el enfoque, los diseños de iluminación para proporcionar luz al cerebro para obtener imágenes y otros elementos para obtener imágenes claras del cerebro del ratón durante comportamientos naturales y vigorosos. terminó diseñando y probando más de 175 prototipos únicos para que el dispositivo finalizado funcionara “.

Los investigadores ahora están usando el mini-MScope para investigar cómo cambia la conectividad cortical en una variedad de paradigmas de comportamiento, como explorar un nuevo espacio. También están trabajando con colaboradores que utilizan el mini-MScope para estudiar cómo se altera la actividad cortical cuando los ratones aprenden tareas motoras difíciles.

“Este dispositivo nos permite estudiar el cerebro de formas que nunca antes lo habíamos hecho”, dijo Kodandaramaiah, quien también tiene nombramientos en el Departamento de Ingeniería Biomédica y la Facultad de Medicina de la Universidad de Minnesota. “Por ejemplo, podemos visualizar la actividad cerebral del ratón a medida que refluye y fluye durante el movimiento natural dentro de su espacio, cuando se duerme y cuando se despierta. Esto proporciona mucha información valiosa que nos ayudará a comprender mejor el cerebro. para ayudar a las personas con enfermedades o lesiones a mejorar sus vidas “.

Los investigadores dijeron que los próximos pasos son mejorar la resolución de las imágenes y estudiar el cerebro con un detalle aún más fino hasta examinar las neuronas individuales.

Fuente:

Referencia de la revista:

Rynes, ML, et al. (2021) Microscopio de cabeza miniaturizado para imágenes de mesoescala de corteza completa en ratones que se comportan libremente. Métodos de la naturaleza. doi.org/10.1038/s41592-021-01104-8.

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