Новый метод отображения цепей мозга в реальном времени

By Зоя Маркевич No comments

Метод отображения мозговых цепей в реальном времени
Современные оптические методы могут отображать активность нейронов только вблизи поверхности мозга, но интегрированная нейрофотоника может разблокировать цепи, скрытые глубоко в мозгу. Предоставлено: Roukes et. al.

Чтобы лучше понять работу мозга, нейробиологи должны уметь детально отображать нейронные цепи, которые отвечают за такие задачи, как обработка сенсорной информации или формирование новых воспоминаний. Теперь команда исследователей из Калифорнийского технологического института описала новый подход, который может позволить наблюдать в реальном времени активность всех тысяч и миллионов нейронов в определенной цепи мозга. Авторы говорят, что новый метод, обсуждаемый в статье «Перспектива», опубликованной в журнале Neuron 14 октября, имеет гораздо больший потенциал, чем любой существующий подход.

В новом методе, получившем название «интегрированная нейрофотоника», используются крошечные массивы оптических микрочипов, которые можно имплантировать на любую глубину в мозг, в сочетании с флуоресцентными молекулярными репортерами и оптогенетическими исполнительными механизмами для оптического мониторинга нейронов и управления их активностью соответственно . Матрицы излучают микромасштабные лучи света, чтобы стимулировать генетически модифицированные нейроны вокруг них и в то же время записывать активность этих клеток, раскрывая их функции. Хотя эта работа в настоящее время проводится только на моделях животных, однажды она может помочь распутать схемы глубоко внутри человеческого мозга, говорит Майкл Роукс, главный исследователь статьи и профессор физики, прикладной физики и биоинженерии Фрэнка Дж. Рошека из Калифорнийского технологического института.

«Плотная запись на глубине — вот ключ», — говорит Роукс. «В ближайшее время мы не сможем регистрировать всю активность мозга. Но можем ли мы сосредоточиться на некоторых из его важных вычислительных структур в определенных областях мозга? Это наша мотивация».

В последние годы нейробиологи начали использовать оптогенетику для изучения все больших групп нейронов у модельных животных, включая грызунов. В оптогенетике нейроны генетически сконструированы для экспрессии определенного белкового маркера, такого как зеленый флуоресцентный белок (GFP), при возбуждении светом определенной длины волны. Присутствие GFP заставляет клетку светиться зеленым светом под флуоресцентным светом, обеспечивая визуальный индикатор нейронной активности. Объединяя сенсорные молекулы с этими маркерами, исследователи могут создавать нейроны, которые сигнализируют о своей локальной активности, модулируя эту флуоресценцию. Оптогенетика решает некоторые проблемы, присущие исследованиям в области нейробиологии, которые полагаются на имплантированные электроды для измерения электрической активности нейронов, которая в среднем может надежно измерить только один нейрон из-за всей электрической активности в мозге. Поскольку мозг не использует свет для общения, оптогенетика упрощает отслеживание большого количества этих нейронных сигналов.

Но текущие оптогенетические исследования мозга ограничены существенными физическими ограничениями, говорит Лоран Моро, старший научный сотрудник Калифорнийского технологического института и ведущий автор статьи. Мозговая ткань рассеивает свет, а это означает, что свет, падающий извне, может перемещаться внутри мозга только на короткие расстояния. Из-за этого оптически можно исследовать только области менее двух миллиметров от поверхности мозга. Вот почему наиболее изученные мозговые цепи, как правило, являются простыми, которые передают сенсорную информацию, например, сенсорная кора у мыши — они расположены близко к поверхности. Короче говоря, в настоящее время методы оптогенетики не могут легко дать представление о цепях, расположенных глубже в мозге, включая те, которые участвуют в когнитивных процессах или процессах обучения более высокого порядка.

Интегрированная нейрофотоника, по словам Роукса и его коллег, решает эту проблему. В этом методе микромасштабные элементы полной системы визуализации имплантируются рядом со сложными нервными цепями, расположенными глубоко внутри мозга, в таких областях, как гиппокамп (который участвует в формировании памяти), полосатое тело (которое контролирует познание) и другие фундаментальные структуры. в беспрецедентном разрешении. Рассмотрим аналогичную технологию функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), метод сканирования, который в настоящее время используется для изображения всего мозга. Каждый воксель или трехмерный пиксель в фМРТ-сканировании обычно имеет объем около кубического миллиметра и содержит примерно 100 000 нейронов. Таким образом, каждый воксель представляет собой среднюю активность всех этих 100 000 ячеек.

«Общая цель интегрированной нейрофотоники — записывать, что каждый нейрон в этой коллекции из 100 000 делает в реальном времени», — говорит Роукс.

Метод отображения цепей мозга в реальном времени
Новый подход под названием интегрированная нейрофотоника может позволить исследователям отслеживать активность всех нейронов, составляющих определенную цепь мозга. Предоставлено: Roukes et. аль

Долгосрочная цель Роукса — распространение передовых инструментов интегрированной нейрофотоники для обеспечения сотрудничества между учреждениями, которое станет пионером передовых исследований в области нейробиологии с использованием этой новой технологии. Раньше, по его словам, развитие нейротехнологий этого типа основывалось в основном на исследованиях, проводимых одной лабораторией или исследователем. Начиная с 2011 года, Роукс работал с пятью другими учеными и Управлением по науке и технологиям Белого дома, чтобы дать толчок тому, что в конечном итоге стало Инициативой США BRAIN (Исследование мозга через продвижение инновационных нейротехнологий), запущенной при администрации Обамы. Их видение состояло в том, чтобы привнести в исследования нейробиологии вид крупномасштабного партнерства, наблюдаемого в физических науках, примером чего являются проекты по разработке оборудования, такие как международное сотрудничество телескопов и сотрудничество LIGO-Virgo по поиску гравитационных волн. Теперь, говорит Роукс, интегрированная нейрофотоника открывает двери для такой командной работы по созданию инструментов

«Многие строительные блоки [для такого подхода, как наш] существуют уже десять или более лет», — говорит он. «Но до недавнего времени просто не было видения, воли и финансирования, которые позволили бы собрать их все вместе и реализовать эти новые мощные инструменты нейробиологии».

Статья, описывающая это исследование, называется «Интегрированная нейрофотоника: на пути к плотному объемному исследованию активности мозговых цепей — на глубине и в реальном времени»./p>

Добавить комментарий