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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 topo corre, si arrampica e socializza, e gli scienziati che osservano il suo cervello lavorano, fino ad oggi, con un cavo o con una testa immobilizzata. Questo vincolo ha condizionato ciò che le neuroscienze potevano osservare. Un team dell'Università Tsinghua e della Scuola di medicina dell'Esercito popolare di liberazione cinese ha realizzato un microscopio wireless che consente all'animale di muoversi molto più liberamente. Il dispositivo, chiamato Airscope, pesa 1 grammo senza batteria, e in un articolo pubblicato su Nature i ricercatori riferiscono che è in grado di riprendere oltre 8.500 neuroni nella corteccia del topo, lo strato esterno del cervello.
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.
Per capire perché il peso sia così importante, è utile sapere come funzionano questi strumenti. L'imaging calcico segue i neuroni attraverso un segnale fluorescente che si intensifica quando una cellula si attiva, quindi un microscopio che vede molte cellule contemporaneamente può mostrare come gruppi di neuroni si comportano durante un'azione. I microscopi tradizionali di questo tipo, montati sulla testa, pesano in genere più di 3 grammi, e le prime versioni wireless erano troppo pesanti e offrivano una visuale più ristretta. Airscope abbina un sensore da 2 megapixel a soli quattro obiettivi asferici, una forma che, secondo i ricercatori, rende il dispositivo 2,84 volte più corto dei precedenti microscopi miniaturizzati, pur eguagliando il numero di neuroni rilevati dai mesoscopi da banco. Riprende immagini con una risoluzione a livello della singola cellula, di circa 4 micrometri, su un campo visivo di 6 millimetri (0,24 pollici, ovvero 0,61 cm) a 12,5 fotogrammi al secondo. La compressione dei dati permette di trasmettere senza fili immagini da un megapixel, e una batteria fissata magneticamente, sostituibile, consente registrazioni lunghe.
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.
Il team ha testato il dispositivo su topi che vivevano in un habitat di circa 54 piedi quadrati (5 m²) e in un ampio labirinto con 32 bracci terminali. L'attività corticale cambiava in modo sistematico a seconda del terreno attraversato dai topi, secondo Wu Jiamin dell'Università Tsinghua. In altri esperimenti descritti nell'articolo, i pattern di attività nella corteccia dorsale erano correlati a segnali comportamentali di dominanza sociale, e l'attività della popolazione neuronale era in grado di prevedere quale dei due topi avrebbe vinto una competizione. Con due Airscope su un solo animale, i ricercatori hanno registrato insieme cervello e midollo spinale durante un condizionamento alla paura, e hanno caratterizzato l'influenza del midollo spinale sulla corteccia. Zhang Yuanlong, professore associato all'Università Tsinghua, ha dichiarato che il dispositivo permette agli animali di muoversi più liberamente, così che le registrazioni su larga scala possono accompagnare una gamma più ampia di comportamenti naturali.
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.
Per i neuroscienziati, il vantaggio è la possibilità di registrare grandi popolazioni di neuroni in animali che fanno altro che restare fermi. Gli autori dell'articolo affermano che le registrazioni restano stabili nella stessa area per più di 200 giorni, con una qualità del segnale paragonabile a quella di un microscopio da banco tradizionale. I limiti però sono reali: tutti i risultati finora descritti provengono dai topi. Dai Qionghai, autore di riferimento dell'articolo, ha detto che il dispositivo potrebbe in seguito essere esteso a immunologia e oncologia, permettendo di seguire la progressione delle malattie, ma si tratta di una direzione che il team ha indicato, non di un risultato che abbia già mostrato.
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.
Per ora, i primi beneficiari sono i gruppi di ricerca che studiano come il comportamento nasce dall'attività neurale. Airscope offre loro un modo per registrare il cervello in contesti naturali, dove in precedenza gli strumenti imponevano una scelta tra precisione e movimento. Il prossimo banco di prova sarà verificare se altri laboratori riescono a riprodurre queste registrazioni, e la versione su Nature, ancora una versione online anticipata, è il documento da leggere fino alla pubblicazione definitiva.