独特的微型显微镜可以洞察复杂的大脑功能

明尼苏达大学双城市科学与工程学院的研究人员开发了独特的头戴式迷你显微镜装置，使他们能够在300天的时间内实时自由移动小鼠的复杂大脑功能。

这设备，被称为Mini-Mscope，提供了一种重要的新工具，用于研究大脑外部外部的多个区域的神经活动，称为皮质，有助于行为，认知和感知。开创性的研究提供了新的洞察力基础研究这可以改善人类大脑的状况，如脑震荡、自闭症、阿尔茨海默氏症和帕金森氏症，以及更好地了解大脑在成瘾中的作用。

这研究发表今天发表在同行评议杂志上自然方法。该研究的作者也将在虚拟2021年展示他们的研究Osa BioPhotonics国会：在生命科学中的光学4月15日星期四。

在过去，科学家研究了如何神经活动在大脑的皮质的特定地区有助于行为，但难以立即从多个皮质地区学习活动。为了老鼠在美国，即使是对刺激做出反应而移动一根胡须这样简单的任务，也需要在几个大脑皮层区域处理信息。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。

“这个设备使我们能够形象的老鼠的大脑在自由和放纵的行为,而以前的中尺度成像通常是在不动的老鼠使用核磁共振等设备或双光子显微镜”说Suhasa Kodandaramaiah,这项研究的资深作者,明尼苏达州大学助理教授本杰明Mayhugh科学和工程学院的机械工程。“这种新设备使我们能够了解大脑的不同区域在复杂行为中是如何相互作用的，当大脑的多个区域同时工作时。这为了解疾病状态、创伤性脑损伤或成瘾时，连通性是如何变化的研究打开了方便之门。”

这种新型微型显微镜是一种荧光显微镜，可以对约10毫米× 12毫米的区域成像，重约3克。这样就可以对老鼠大脑表面的大部分进行整体成像。该设备用于钙成像，这是一种常用来监测大脑电活动的技术。安装在老鼠头上的装置在接近细胞的水平上捕捉图像，使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、聚焦微型透镜和互补金属氧化物半导体(CMOS)捕捉图像，创造出了这种微型显微镜。它包括联锁磁铁，可以很容易地贴在结构逼真的3d打印的透明聚合物头骨上，也就是研究人员在之前的研究中开发的透明聚合物头骨。当这种透明壳被植入老鼠体内时，就创造了一个窗口，通过这个窗口可以进行长期的显微镜观察。这种新显微镜可以在近一年的时间里捕捉老鼠的大脑活动。

研究人员演示了微型显微镜，用它来成像老鼠大脑对眼睛的视觉刺激、后肢的振动刺激和触须的体感刺激的反应。当一只戴着头戴显微镜的老鼠与另一只老鼠互动时，他们还创建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，大脑皮层内的连接增加了。

“我们的团队正在创建一套工具，使我们能够在高空间和高空间的大部分内部访问和接口时间分辨率明尼苏达大学生物医学工程博士候选人马修·莱恩斯(Mathew Rynes)说，他是这项研究的联合负责人。“这项研究表明，迷你mscope可用于研究自由行为小鼠的功能连接，这使其成为本工具包的重要贡献，”Rynes补充道。

该团队必须克服几个工程挑战来创建设备。

丹尼尔·苏里纳奇(Daniel Surinach)是明尼苏达大学最近的一名机械工程硕士研究生，也是这项研究的负责人之一。他说:“要在自由行为的老鼠身上成像大脑，这个装置必须足够轻，以便老鼠能够支撑和携带。”“在这个小范围内，我们还需要优化光学、电气和成像硬件的分辨率、聚焦、照明设计，为大脑提供成像光线，以及其他元素，以获得小鼠在自然和剧烈行为期间的大脑清晰图像。我们最终设计并测试了超过175个独特的原型机，最终使最终的设备运行起来!”

研究人员现在正在使用微型显微镜来研究皮质连通性在各种行为范式中的变化，比如探索新空间。他们还与使用微型显微镜的合作者合作，研究当老鼠学习困难的运动任务时，大脑皮层活动是如何改变的。

“此设备允许我们以我们以前从未完成的方式研究大脑，”Kodandaramah表示，他在明尼苏达大学的生物医学工程系和医学院举行约会。“例如，例如，我们可以将鼠标的大脑活动图像作为它的衰退和流动在其空间内的自然运动中，并且当它醒来时，它会醒来。这提供了很多有价值的信息，这将有助于我们更好地了解大脑帮助患有疾病或伤害的人来改善他们的生活。“

研究人员表示，下一步是改善成像和研究的分辨率大脑甚至更详细地检测单个神经元。

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