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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.
Um ratinho corre, trepa e interage com outros, e os cientistas que observam o seu cérebro trabalham, até agora, com um fio ou com a cabeça imobilizada. Esta limitação moldou aquilo que a neurociência conseguia ver. Uma equipa da Universidade de Tsinghua e da Escola Médica do Exército Popular de Libertação chinês construiu um microscópio sem fios que permite ao animal mover-se bastante mais livremente. O dispositivo, chamado Airscope, pesa 1 grama sem a bateria e, num artigo publicado na Nature, os investigadores relatam que consegue obter imagens de mais de 8 500 neurónios em todo o córtex do ratinho, a camada exterior do cérebro.
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 perceber por que razão o peso é importante, convém saber como funcionam estes instrumentos. A imagiologia de cálcio segue os neurónios através de um sinal fluorescente que se intensifica quando uma célula dispara, pelo que um microscópio capaz de ver muitas células ao mesmo tempo consegue mostrar como grupos de neurónios se comportam durante uma ação. Os microscópios convencionais deste tipo, montados na cabeça, pesam normalmente mais de 3 gramas, e as versões sem fios anteriores eram demasiado pesadas e ofereciam uma visão mais restrita. O Airscope combina um sensor de 2 megapíxeis com apenas quatro lentes asféricas, uma configuração que, segundo os investigadores, torna o dispositivo 2,84 vezes mais curto do que os microscópios miniaturizados anteriores, mantendo o mesmo rendimento em neurónios dos mesoscópios de bancada. Obtém imagens com resolução ao nível de célula individual, de cerca de 4 micrómetros, num campo de visão de 6 milímetros (0,24 polegadas, 0,61 cm) a 12,5 imagens por segundo. A compressão de dados permite enviar imagens de megapíxeis por via sem fios, e uma bateria presa magneticamente, que pode ser substituída, possibilita gravações longas.
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.
A equipa testou o dispositivo em ratinhos que viviam num habitat de cerca de 5 metros quadrados (54 pés quadrados) e num grande labirinto com 32 braços terminais. Segundo Wu Jiamin, de Tsinghua, a atividade cortical mudava de forma sistemática consoante o terreno que os ratinhos atravessavam. Noutras experiências descritas no artigo, os padrões de atividade no córtex dorsal estavam correlacionados com sinais comportamentais de dominância social, e a atividade da população permitia prever qual dos dois ratinhos venceria uma competição. Com dois Airscope num mesmo animal, os investigadores registaram em simultâneo o cérebro e a medula espinal durante um condicionamento do medo, e caracterizaram a influência da medula espinal sobre o córtex. Zhang Yuanlong, professor auxiliar em Tsinghua, afirmou que o dispositivo permite aos animais moverem-se com mais liberdade, para que os registos em grande escala possam acompanhar uma gama mais ampla de comportamentos naturais.
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 os neurocientistas, o ganho está na possibilidade de registar grandes populações de neurónios em animais que fazem outra coisa além de estar parados. Os autores do artigo afirmam que os registos se mantêm estáveis na mesma região durante mais de 200 dias, com uma qualidade de sinal comparável à de um microscópio convencional de bancada. As limitações são reais: todos os resultados descritos até agora provêm de ratinhos. Dai Qionghai, autor correspondente do artigo, afirmou que o dispositivo poderá, mais tarde, estender-se à imunologia e à oncologia, permitindo acompanhar a progressão de doenças, mas trata-se de uma direção que a equipa identificou, e não de um resultado que tenha demonstrado.
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 agora, os beneficiários imediatos são os grupos de investigação que estudam como o comportamento emerge da atividade neuronal. O Airscope oferece-lhes uma forma de registar o cérebro em contextos naturais, onde as ferramentas anteriores obrigavam a escolher entre precisão e movimento. O próximo teste é saber se outros laboratórios conseguem reproduzir estes registos, e a versão da Nature, ainda uma publicação inicial em linha, é o documento a ler até à publicação final.