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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.
Une souris court, grimpe et interagit avec ses congénères, et les scientifiques qui observent son cerveau travaillent jusqu'ici avec un câble ou une tête immobilisée. Cette contrainte a façonné ce que les neurosciences pouvaient observer. Une équipe de l'université Tsinghua et de l'école de médecine de l'Armée populaire de libération chinoise a conçu un microscope sans fil qui laisse l'animal se déplacer beaucoup plus librement. Baptisé Airscope, l'appareil pèse 1 gramme sans sa batterie, et dans un article publié dans Nature, les chercheurs indiquent qu'il peut imager plus de 8 500 neurones dans le cortex de la souris, la couche externe du cerveau.
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.
Pour comprendre pourquoi le poids compte, il est utile de savoir comment fonctionnent ces instruments. L'imagerie calcique suit les neurones grâce à un signal fluorescent qui s'intensifie lorsqu'une cellule s'active. Un microscope capable de voir de nombreuses cellules à la fois peut donc montrer comment des groupes de neurones se comportent pendant une action. Les microscopes classiques de ce type, montés sur la tête, pèsent généralement plus de 3 grammes, et les versions sans fil antérieures étaient trop lourdes et offraient une vue plus restreinte. Airscope associe un capteur de 2 mégapixels à seulement quatre lentilles asphériques, une configuration qui, selon les chercheurs, rend l'appareil 2,84 fois plus court que les microscopes miniaturisés précédents, tout en atteignant le même nombre de neurones observés que les mésoscopes de paillasse. Il imagerie à une résolution cellulaire, d'environ 4 micromètres, sur un champ de vision de 6 millimètres (0,24 pouce, soit 0,61 cm) à 12,5 images par seconde. La compression des données lui permet d'envoyer sans fil des images de plusieurs mégapixels, et une batterie fixée magnétiquement, qu'on peut remplacer, permet des enregistrements longs.
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.
L'équipe a testé l'appareil sur des souris vivant dans un habitat d'environ 5 mètres carrés (54 pieds carrés, soit 5 m²) et dans un grand labyrinthe comportant 32 bras terminaux. Selon Wu Jiamin, de Tsinghua, l'activité corticale变化 de façon systématique selon le terrain traversé par les souris. Dans d'autres expériences décrites dans l'article, les schémas d'activité du cortex dorsal sont corrélés à des signes comportementaux de domination sociale, et l'activité de la population de neurones permet de prédire lequel de deux souris remportera une compétition. En utilisant deux Airscope sur un même animal, les chercheurs ont enregistré ensemble le cerveau et la moelle épinière pendant un conditionnement de la peur, et ont caractérisé l'influence de la moelle épinière sur le cortex. Zhang Yuanlong, professeur adjoint à Tsinghua, explique que l'appareil laisse les animaux bouger plus librement, de sorte que les enregistrements à grande échelle peuvent accompagner un éventail plus large de comportements naturels.
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.
Pour les neuroscientifiques, le gain est la possibilité d'enregistrer de grandes populations de neurones chez des animaux qui font autre chose que rester immobiles. Les auteurs de l'article affirment que les enregistrements restent stables sur la même zone pendant plus de 200 jours, avec une qualité de signal comparable à celle d'un microscope de paillasse classique. Les limites sont réelles : tous les résultats décrits jusqu'ici proviennent de souris. Dai Qionghai, auteur correspondant de l'article, a déclaré que l'appareil pourrait à terme être étendu à l'immunologie et à l'oncologie, permettant de suivre la progression de maladies, mais il s'agit d'une piste que l'équipe a évoquée, et non d'un résultat qu'elle a démontré.
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.
Pour l'instant, les premiers bénéficiaires sont les groupes de recherche qui étudient comment les comportements émergent de l'activité neuronale. Airscope leur offre un moyen d'enregistrer le cerveau dans des conditions naturelles, là où les outils précédents imposaient de choisir entre précision et mouvement. La prochaine étape consistera à savoir si d'autres laboratoires peuvent reproduire ces enregistrements, et la version de Nature, encore une publication en ligne préliminaire, reste le document de référence jusqu'à la publication définitive.