Des chercheurs de l’Université du Minnesota Twin Cities College of Science and Engineering and Medical School ont développé un mini-microscope monté sur la tête unique qui leur permet d’imager des fonctions cérébrales complexes de souris en mouvement libre en temps réel sur une période de plus de 300 jours.
L’appareil, connu sous le nom de mini-MScope, offre un nouvel outil important pour étudier comment l’activité neuronale de plusieurs régions de la partie externe du cerveau, appelée cortex, contribue au comportement, à la cognition et à la perception. L’étude révolutionnaire fournit un nouvel aperçu de la recherche fondamentale qui pourrait améliorer les conditions du cerveau humain telles que les commotions cérébrales, l’autisme, la maladie d’Alzheimer et la maladie de Parkinson, ainsi qu’une meilleure compréhension du rôle du cerveau dans la dépendance.
Les chercheurs ont créé le microscope miniaturisé monté sur la tête pour étudier le cerveau de la souris en utilisant des LED pour l’éclairage, des lentilles miniatures pour la mise au point et un CMOS (métal-oxyde-semi-conducteur) complémentaire pour capturer des images. Il comprend des aimants imbriqués qui lui permettent d’être facilement apposé sur des crânes en polymère transparent imprimés en 3D structurellement réalistes, connus sous le nom de See-Shells, que les chercheurs ont développés dans des études précédentes. Crédit d’image: Rynes and Surinach, et al., Kodandaramaiah Lab, Université du Minnesota
le la recherche a été publiée dans la revue à comité de lecture Nature Methods. Les auteurs de l’étude présenteront également leurs recherches au Virtual 2021 Congrès OSA Biophotonics: Optics in the Life Sciences.
Dans le passé, les scientifiques ont étudié comment l’activité neuronale dans des régions spécifiques du cortex cérébral contribuait au comportement, mais il était difficile d’étudier l’activité de plusieurs régions corticales à la fois. Pour les souris, même la simple tâche de déplacer une seule moustache en réponse à un stimulus implique le traitement d’informations dans plusieurs zones corticales. Les souris sont souvent utilisées pour étudier le cerveau, car elles ont beaucoup des mêmes structures cérébrales et de la même connectivité que les humains.
«Cet appareil nous permet d’imager la majeure partie du cerveau de la souris lors de comportements libres et sans contrainte, alors que l’imagerie précédente à méso-échelle était généralement réalisée chez des souris immobiles à l’aide de dispositifs tels que l’IRM ou des microscopes à deux photons», a déclaré Suhasa Kodandaramaiah, auteur principal de l’étude. et Université du Minnesota Benjamin Mayhugh Professeur adjoint de génie mécanique au Collège des sciences et de l’ingénierie. «Ce nouvel appareil nous permet de comprendre comment différentes zones du cerveau interagissent lors de comportements complexes où plusieurs zones du cerveau travaillent ensemble simultanément. Cela ouvre la recherche pour comprendre comment la connectivité change dans les états pathologiques, les traumatismes crâniens ou la dépendance. »
Le nouveau mini-MScope est un microscope à fluorescence qui peut imager une zone d’environ 10 millimètres sur 12 millimètres et pèse environ 3 grammes. Cela permet une imagerie holistique d’une grande partie de la surface du cerveau de la souris. L’appareil est utilisé pour l’imagerie calcique, une technique couramment utilisée pour surveiller l’activité électrique du cerveau. L’appareil monté sur la tête de la souris capture des images à un niveau presque cellulaire, ce qui permet d’étudier les connexions entre les régions à travers le cortex.
Les chercheurs ont créé le microscope miniaturisé en utilisant des LED pour l’éclairage, des lentilles miniatures pour la mise au point et un complément métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS) pour capturer des images. Il comprend des aimants imbriqués qui lui permettent d’être facilement apposé sur des crânes en polymère transparent imprimés en 3D structurellement réalistes, connus sous le nom de See-Shells, que les chercheurs ont développés dans des études précédentes. Lorsqu’ils sont implantés chez des souris, les See-Shells créent une fenêtre à travers laquelle une microscopie à long terme peut être effectuée. Le nouveau microscope peut capturer l’activité cérébrale des souris pendant près d’un an.
Les chercheurs ont démontré le mini-MScope en l’utilisant pour imager l’activité cérébrale de la souris en réponse à un stimulus visuel de l’œil, un stimulus vibratoire de la patte arrière et un stimulus somatosensoriel présenté à la moustache. Ils ont également créé des cartes de connectivité fonctionnelle du cerveau lorsqu’une souris portant le microscope monté sur la tête interagissait avec une autre souris. Ils ont vu que la connectivité intracorticale augmentait lorsque la souris s’engageait dans des comportements sociaux avec l’autre souris.
«Notre équipe crée une suite d’outils qui nous permettra d’accéder et d’interagir avec de grandes parties du cortex à haute résolution spatiale et temporelle», a déclaré Mathew Rynes, titulaire d’un doctorat en génie biomédical de l’Université du Minnesota. candidat qui a codirigé l’étude. «Cette étude montre que le mini-MScope peut être utilisé pour étudier la connectivité fonctionnelle chez des souris se comportant librement, ce qui en fait une contribution importante à cette boîte à outils», a ajouté Rynes.
L’équipe a dû surmonter plusieurs défis d’ingénierie pour créer l’appareil.
«Pour imager le cerveau de souris au comportement libre, l’appareil devait être suffisamment léger pour être supporté et porté par les souris», a déclaré Daniel Surinach, récent diplômé d’une maîtrise en génie mécanique de l’Université du Minnesota qui a également codirigé l’étude. . «Dans cette petite plage, nous devions également optimiser l’optique, la résolution du matériel électrique et d’imagerie, la mise au point, les conceptions d’éclairage pour fournir de la lumière au cerveau pour l’imagerie, et d’autres éléments pour obtenir des images claires du cerveau de la souris lors de comportements naturels et vigoureux. Nous avons fini par concevoir et tester plus de 175 prototypes uniques pour faire fonctionner l’appareil finalisé! »
Les chercheurs utilisent maintenant le mini-MScope pour étudier comment la connectivité corticale change dans une variété de paradigmes comportementaux, comme l’exploration d’un nouvel espace. Ils travaillent également avec des collaborateurs qui utilisent le mini-MScope pour étudier comment l’activité corticale est modifiée lorsque les souris apprennent des tâches motrices difficiles.
«Cet appareil nous permet d’étudier le cerveau d’une manière que nous n’aurions jamais pu faire auparavant», a déclaré Kodandaramaiah, qui occupe également des postes au Département de génie biomédical de l’Université du Minnesota et à la faculté de médecine. «Par exemple, nous pouvons imaginer l’activité cérébrale de la souris alors qu’elle fluctue pendant les mouvements naturels dans son espace, lorsqu’elle s’endort et lorsqu’elle se réveille. Cela fournit de nombreuses informations précieuses qui nous aideront à mieux comprendre le cerveau pour aider les personnes atteintes de maladies ou de blessures à améliorer leur vie. »
Les chercheurs ont déclaré que les prochaines étapes consistent à améliorer la résolution de l’imagerie et à étudier le cerveau avec encore plus de détails jusqu’à l’examen des neurones individuels.
La source: Université du Minnesota
