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A mouse runs, climbs and socializes, and the scientists watching its brain are, until now, working with a tether or a head held still. That constraint has shaped what neuroscience could see. A team from Tsinghua University and the Chinese PLA Medical School has built a wireless microscope that lets the animal move much more freely. The device, called Airscope, weighs 1 gram without its battery, and in a paper published in Nature the researchers report that it can image more than 8,500 neurons across a mouse's cortex, the outer layer of the brain.
Un ratón corre, trepa y socializa, y los científicos que observan su cerebro trabajan, hasta ahora, con un cable o con la cabeza inmovilizada. Esa restricción ha determinado lo que la neurociencia podía ver. Un equipo de la Universidad Tsinghua y de la Escuela de Medicina del Ejército Popular de Liberación de China ha construido un microscopio inalámbrico que permite al animal moverse mucho más libremente. El dispositivo, llamado Airscope, pesa 1 gramo sin su batería, y en un artículo publicado en Nature los investigadores explican que puede obtener imágenes de más de 8.500 neuronas en la corteza del ratón, la capa externa del cerebro.
To understand why the weight matters, it helps to know how these instruments work. Calcium imaging tracks neurons through a fluorescent signal that brightens when a cell fires, so a microscope that sees many cells at once can show how groups of neurons behave during an action. Conventional head-mounted microscopes of this kind typically weigh more than 3 grams, and the earlier wireless versions were too heavy and offered a narrower view. Airscope pairs a 2-megapixel sensor with just four aspheric lenses, a shape that the researchers say makes the device 2.84 times shorter than previous miniaturized microscopes while matching the neuron yield of benchtop mesoscopes. It images at single-cell resolution, about 4 micrometers, across a 6-millimeter (0.24-inch) field of view at 12.5 frames per second. Data compression lets it send megapixel images wirelessly, and a magnetically attached battery that can be swapped supports long recordings.
Para entender por qué importa el peso, conviene saber cómo funcionan estos instrumentos. La imagen de calcio sigue las neuronas mediante una señal fluorescente que se intensifica cuando una célula se activa, de modo que un microscopio capaz de ver muchas células a la vez puede mostrar cómo se comportan grupos de neuronas durante una acción. Los microscopios convencionales de este tipo, montados en la cabeza, suelen pesar más de 3 gramos, y las versiones inalámbricas anteriores eran demasiado pesadas y ofrecían una visión más estrecha. Airscope combina un sensor de 2 megapíxeles con solo cuatro lentes asféricas, una forma que, según los investigadores, hace que el dispositivo sea 2,84 veces más corto que los microscopios miniaturizados anteriores, igualando al mismo tiempo el número de neuronas detectadas por los mesoscopios de sobremesa. Obtiene imágenes con resolución de célula única, de unos 4 micrómetros, en un campo de visión de 6 milímetros (0,24 pulgadas; 0,61 cm) a 12,5 fotogramas por segundo. La compresión de datos le permite enviar imágenes de varios megapíxeles de forma inalámbrica, y una batería fijada magnéticamente, que puede cambiarse, permite registros prolongados.
The team tested the device in mice living in a habitat of about 5 square meters (54 square feet) and in a large maze with 32 terminal arms. Cortical activity changed systematically with the terrain the mice crossed, according to Wu Jiamin of Tsinghua. In other experiments described in the paper, activity patterns across the dorsal cortex correlated with behavioral signs of social dominance, and population activity could predict which of two mice would win a competition. With two Airscopes on one animal, the researchers recorded the brain and spinal cord together during fear conditioning, and characterized the influence of the spinal cord on the cortex. Zhang Yuanlong, an assistant professor at Tsinghua, said the device lets animals move more freely, so that large-scale recordings can accompany a wider range of natural behaviors.
El equipo probó el dispositivo con ratones que vivían en un hábitat de unos 5 metros cuadrados (54 pies cuadrados; 5 m²) y en un gran laberinto con 32 brazos terminales. La actividad cortical cambiaba de forma sistemática según el terreno que atravesaban los ratones, según Wu Jiamin, de Tsinghua. En otros experimentos descritos en el artículo, los patrones de actividad en la corteza dorsal se correlacionaban con signos conductuales de dominancia social, y la actividad de la población podía predecir cuál de dos ratones ganaría una competición. Con dos Airscope sobre un mismo animal, los investigadores registraron de forma conjunta el cerebro y la médula espinal durante un condicionamiento del miedo, y caracterizaron la influencia de la médula espinal sobre la corteza. Zhang Yuanlong, profesor adjunto de Tsinghua, afirmó que el dispositivo permite a los animales moverse con más libertad, de modo que los registros a gran escala pueden acompañar una gama más amplia de comportamientos naturales.
For neuroscientists, the gain is the ability to record large populations of neurons in animals doing something other than sitting still. The paper's authors say the recordings stay stable from the same region for more than 200 days, with signal quality comparable to a conventional benchtop microscope. The limits are real: every result described so far comes from mice. Dai Qionghai, the paper's corresponding author, said the device could later extend to immunology and oncology, enabling tracking of disease progression, but that is a direction the team has named, not a result it has shown.
Para los neurocientíficos, la ventaja es poder registrar grandes poblaciones de neuronas en animales que hacen algo distinto a permanecer quietos. Los autores del artículo afirman que los registros se mantienen estables en la misma región durante más de 200 días, con una calidad de señal comparable a la de un microscopio convencional de sobremesa. Las limitaciones son reales: todos los resultados descritos hasta ahora proceden de ratones. Dai Qionghai, autor de correspondencia del artículo, dijo que el dispositivo podría extenderse más adelante a la inmunología y la oncología, permitiendo seguir la progresión de enfermedades, pero se trata de una dirección que el equipo ha señalado, no de un resultado que haya demostrado.
For now, the immediate beneficiaries are research groups that study how behavior emerges from neural activity. Airscope gives them a way to record the brain in natural settings, where earlier tools forced a choice between precision and movement. The next test is whether other laboratories can reproduce these recordings, and the Nature version, still an early online release, is the document to read until final publication.
Por ahora, los principales beneficiarios inmediatos son los grupos de investigación que estudian cómo surge la conducta a partir de la actividad neuronal. Airscope les ofrece una forma de registrar el cerebro en entornos naturales, donde las herramientas anteriores obligaban a elegir entre precisión y movimiento. La próxima prueba es si otros laboratorios pueden reproducir estos registros, y la versión de Nature, todavía una publicación preliminar en línea, es el documento que conviene leer hasta su publicación definitiva.