GoPro für Mäusegehirnen zeichnet neuronale Schaltkreise in Echtzeit

Eine implantierbare Miniatur-Mikroskop kann Forscher verfolgen die Aktivität des Gehirns von Mäusen in Echtzeit, als die Tiere Futter für Lebensmittel oder ein Labyrinth zu navigieren. Es ist wie eine winzige GoPro für das Nagetier Gehirn.

Das nVista-System genannt, ist es die Idee von Mark Schnitzer, Professor für Biologie und Physik an der Stanford University, Mitbegründer eine Start-up-Firma namens Inscopix um das Gerät zu vermarkten. Derzeit gibt es über 200 solcher Systeme in mehr als 100 Labors auf der ganzen Welt verwendet wird, und diese Zahl wächst noch.

Es gibt mehrere bildgebende Technologien draußen für Aufnahme Aktivität des Gehirns, in der Regel durch das Einsetzen von Elektroden direkt in das Gehirn Gruppen von Neuronen. Aber das Gehirn von Säugetiere 100 Milliarden Neuronen hat, und solche Techniken nur Bildgebung von zwischen 20 und 50 Zellen erlauben. Schnitzer vergleicht es, ins Kino gehen und versuchen, die gesamte Handlung herauszufinden, indem man nur ein paar Pixel. "Wir sind wahrscheinlich große Teile des Puzzles fehlen", sagte er Gizmodo. "Wir sind nicht immer ein Gefühl des kollektiven Handelns – gefällt mir der orchestrale Aktion aufgerufen."

Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) und PET-Scans sind weitere Tools, die häufig verwendet, um einen Eindruck des Geschehens im Gehirn in Echtzeit, aber diese indirekte Maßnahmen beschäftigen. Insbesondere erhöht sich im Blutsauerstoff, die Ebenen verwendet werden, um erhöhte Aktivität zeigen Hirnregionen abzuleiten. "Stell dir vor, du versuchst zu entziffern, was Ihr Computer Motherboard anhand der Daten von einer Kamera Wärme tut", sagte Schnitzer. "Sie können feststellen, dass das Motherboard ist mehr Wärme abgibt, aber es nicht unbedingt get you gonna ist, dass viel näher zu entziffern, was die Transistoren tun, oder wie die Informationen fließen."

Hier kommt das nVsita-System. Es ist ein Miniatur-Mikroskop, nur ein Zoll lang, die direkt auf den Kopf einer erwachsenen Maus, zusammen mit einer Handy-Kamera (ein Mini CMOS Bildsensor) und eine Lichtquelle montiert wird. Jetzt ist es üblich, eine bestimmte Art von Neuron in Mäusen ans Licht, genetisch zu verändern (fluoreszieren) als Reaktion auf erhöhte Hirnaktivität. Fluoreszenz heller desto aktiver bekommt diese Neuronen sind, und dieses Licht ist durch das Mini-Mikroskop abgeholt und von der Kamera aufgenommen.

Die nVista ist leicht genug (etwa das Gewicht von vier Wattebällchen), die das Tier ganz natürlich sein Geschäft nachgehen kann gleichzeitig Forscher Hirnaktivität in Echtzeit zu überwachen. Es kann bis zu 1000 einzelner Neuronen gleichzeitig verfolgen.

"Also wir beginnen, einen Blick auf das Orchester Kollektivmaßnahmen, was eine große Versammlung von Zellen im Rahmen des natürlichen Verhaltens machen", sagt Schnitzer. "Es gibt Formen der neuronalen Aktivität, den Sie einfach nicht sehen, wenn das Tier nicht auf diese spezielle Weise verhält. Beispielsweise wenn Sie Interesse an einem Studium der motor Schaltkreise des Gehirns, zeigen die Motorkreise verschiedene Formen der Tätigkeit, wenn das Tier tatsächlich als bewegt, wenn es sich nicht bewegt."

Ein Forscher, der das System nützlich gefunden hat ist Garrret Stuber, Neurowissenschaftler an der University of North Carolina in Chapel Hill. Im vergangenen Jahr veröffentlichte er mit einigen Kollegen ein Papier in der Fachzeitschrift Cell Berichterstattung, wie sie die Aktivitätsmuster einzelner Gehirnzellen bei Mäusen als für Food ernährte Tiere abgebildet hatte. Diese können sie bestimmte Verhaltensweisen bestimmte Neuronen führt.

Insbesondere fanden sie, dass während einer Nervenzelle aktiviert wurde, als die Maus nach Nahrung suchte, eine zweite, fast identische Neuron direkt daneben nur aktiv wurde als die Maus Essen begann. Das bedeutet, dass targeting Cluster von Gehirnzellen – beispielsweise mit Medikamenten zur Bekämpfung der Adipositas – möglicherweise kein wirksamer Ansatz. "Sie möchte nicht Zellen in Appetit beeinträchtigen, da Sie Zellen an anderen Aspekten der motivierten Verhalten auswirken", sagte Stuber damals. "Aber wenn wir nur die Zellen in Verbrauch richten könnte, dann vielleicht wir können modulieren nur jene Zellen ohne Motivation."

Dieses Experiment hätte ohne die nVista Mikroskop möglich nach Stuber. "Es erlaubt uns, die Aktivität Dynamik dieser wirklich großen Populationen von Neuronen im wach und Verhalten Tiere wirklich zu erfassen," sagte er. "Würde nicht traditionelle bildgebende Verfahren ermöglichen es uns, diese Art von Aktivität aufzeichnen tief in die Gehirne von Mäusen frei zu bewegen."

Andere Forschungsgruppen nutzen das System, um neuronale Aktivität zu studieren, im Hinblick auf Angst, Belohnung, Lern- und Drogensucht in Mäusegehirnen sowie identifizierende separate Gehirn Schaltungen für die Verarbeitung des "Wann" und wo"Aspekte des Gedächtnisses.

Inscopix wird weiterhin das nVista-System, basierend auf dem Feedback von den Forschern, die es zu benutzen, zu verfeinern nach Schnitzer. In der Zwischenzeit sagte "Lassen die Menschen zu erforschen und zu sehen, welche Arten von Experimenten, die sie tun können, wirklich den Satz von Anwendungen eröffnet hat," er. "Das ist unglaublich ermutigend gewesen."

Bilder mit freundlicher Genehmigung von Mark Schnitzer/Stanford und Inscopix.