独特的迷你显微镜提供了对复杂的大脑功能的洞察力

明尼苏达大学双子城科学与工程学院和医学院的研究人员开发了一种独特的头戴微型显微镜设备，可以让他们在300多天的时间里实时成像自由移动老鼠复杂的大脑功能。

的设备它提供了一种重要的新工具，用于研究大脑外部皮层多个区域的神经活动如何影响行为、认知和感知。这项开创性的研究提供了新的见解基础研究这可以改善人类脑状况，如脑脑脑，自闭症，阿尔茨海默氏症和帕金森病，以及更好地了解大脑在成瘾中的作用。

的研究发表了今天在同行评审期刊中自然方法。研究作者还将在虚拟2021上展示他们的研究OSA生物光子学大会:生命科学中的光学4月15日，星期四。

在过去，科学家们已经研究过了神经活动大脑皮层的特定区域与行为有关，但同时研究多个皮层区域的活动一直很困难。为老鼠甚至响应于刺激移动单个晶须的简单任务涉及在几个皮质区域中处理信息。小鼠通常用于研究大脑，因为它们具有许多与人类的许多相同的脑结构和连通性。

“该设备使我们能够在自由和无拘无束的行为期间将大多数鼠标的大脑图像成像，而先前的Messcale成像通常使用像MRI或两张光子显微镜等设备这样的装置在Immobile小鼠中完成”Suhasa Kodandaramah，该学习和大学的高级作者Suhasa Kodandaramah“明尼苏达州明杰明市助理科学与工程学院机械工程教授。“这个新的设备允许我们了解大脑的不同区域在大脑的多个区域同时工作的复杂行为中的交互。这开辟了解患病状态，创伤性脑损伤或成瘾的连接变化。”

新的Mini-Mscope是一种荧光显微镜，可以将面积约为10毫米12毫米，重约3克。这允许大部分小鼠脑表面的整体成像。该装置用于钙成像，一种常用于监测大脑电活动的技术。安装在鼠标头上的装置在近蜂窝级别捕获图像，使得可以在皮质上的区域之间研究连接。

研究人员使用用于照明的LED，用于聚焦的微型镜片和用于捕获图像的互补金属氧化物半导体（CMOS）的微型显微镜。它包括互锁磁铁，使其可以轻松地固定到结构上现实的3-D印刷透明聚合物头骨，称为See-Shell，即在以前的研究中开发的研究人员。当植入小鼠时，跷跷板创建一个窗口，可以通过该窗口进行长期显微镜。新显微镜可以捕获小鼠的大脑活动差不多一年。

研究人员通过使用它以响应于眼睛的视觉刺激而对鼠标脑活动进行图像脑活动来证明了迷你Mscope，对Hindlimb的振动刺激和呈现给晶须的躯体感觉刺激。它们还为戴着头戴式显微镜的鼠标创建了大脑的功能连接图，与另一个小鼠相互作用。当鼠标与另一只小鼠的社会行为从事社会行为时，他们看到肠内连接增加。

“我们的团队正在开发一套工具，使我们能够访问和接触高空间和高空间的大部分皮层时间分辨率，“明尼苏达大学生物医学工程博士Mathew Rynes表示，候选人候选人。”这项研究表明，迷你Mscope可用于在自由行为小鼠中研究功能性连接，使其成为一个重要的贡献到这个工具包，“rynes补充道。

该团队必须克服几个工程上的挑战来创造这个设备。

“以自由行为鼠标形象的脑电图，该装置必须被小鼠支持和携带的重量轻，”最近明尼苏达机械工程硕士学位毕业生毕业生的丹尼尔苏里南说。“在这个小范围内，我们还需要优化光学，电气和成像硬件分辨率，聚焦，照明设计，为大脑提供光线，以及其他元素，以在自然和剧烈行为期间清晰地清除鼠标脑的图像。我们最终设计和测试超过175个独特的原型，以获得最终的设备工作！“

研究人员现在正在使用Mini-MSCope来调查皮质连接如何改变各种行为范式，例如探索新空间。它们还与正在使用Mini-MSCope学习如何在小鼠学习困难的电机任务时改变皮质活动的合作者。

“这个设备让我们能够以前所未有的方式研究大脑，”在明尼苏达大学(University of Minnesota)生物医学工程系和医学院任职的科达拉马雅(Kodandaramaiah)说。“例如，我们可以想象老鼠在其空间内自然运动、入睡和醒来时大脑活动的起伏。这提供了很多有价值的信息，有助于我们更好地了解大脑，帮助有疾病或受伤的人改善他们的生活。”

研究人员说，下一步是提高成像的分辨率和研究脑甚至更细的细节以检查单个神经元。

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