Китайские исследователи разработали миниатюрный беспроводной микроскоп Airscope, который весит всего один грамм и позволяет одновременно наблюдать за активностью более 8500 нейронов. Устройство крепится на голове лабораторного животного и передаёт данные без проводов, позволяя изучать мозг во время естественного поведения — от исследования окружающей среды до социальных взаимодействий.
Разработка учёных из Университета Цинхуа и Медицинской школы Народно-освободительной армии Китая может помочь нейробиологам лучше понять, как мозговые процессы связаны с поведением, памятью и эмоциями. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Как работает Airscope
Главная проблема традиционных систем наблюдения за мозгом заключается в том, что точные измерения часто требуют ограничивать движения подопытных животных. Если исследователям необходимо следить за активностью большого количества нейронов, оборудование может оказаться слишком громоздким для свободного передвижения. А более лёгкие беспроводные микроскопы обычно обеспечивают значительно меньшую область обзора.
Airscope призван устранить это противоречие. При массе всего один грамм без аккумулятора он обеспечивает поле зрения шириной шесть миллиметров — достаточно большое, чтобы одновременно регистрировать активность тысяч отдельных нервных клеток в коре головного мозга.
Для сравнения: многие существующие миниатюрные микроскопы с креплением на голове весят более трёх граммов, а их поле зрения может быть меньше одного миллиметра. Airscope сочетает небольшой вес с возможностью наблюдать за обширной областью мозговой ткани.
Миниатюрная оптика и беспроводная передача данных
Чтобы добиться таких характеристик, разработчикам пришлось существенно переработать оптическую систему и электронику прибора.
В конструкции используются четыре асферические линзы. В отличие от обычных сферических линз, их поверхность имеет более сложную форму, позволяющую эффективнее управлять светом и уменьшать оптические искажения. Исследователи применили специально разработанные алгоритмы для оптимизации формы линз, благодаря чему удалось сократить длину оптического тракта почти на две трети.
В устройстве также установлен двухмегапиксельный сенсор. Полученные изображения обрабатываются и сжимаются непосредственно на приборе, после чего передаются по беспроводному каналу со скоростью 12,5 кадра в секунду.
В результате команде удалось уменьшить объём системы почти в 100 000 раз по сравнению с традиционными настольными установками для нейровизуализации, сохранив сопоставимое качество регистрируемых нейронных сигналов.
Как учёные наблюдают за активностью нейронов
Airscope использует оптическую регистрацию кальциевой активности нейронов. Этот метод основан на том, что изменения концентрации ионов кальция внутри нервных клеток связаны с их активностью. Отслеживая соответствующие изменения с помощью оптической системы, исследователи могут наблюдать за работой большого числа нейронов одновременно.
Важное преимущество технологии — возможность получать данные на уровне отдельных клеток, не ограничивая животное неподвижным положением головы и не привязывая его к стационарному оборудованию.
Во время экспериментов мыши с установленными устройствами могли свободно перемещаться по специально оборудованной среде, взбираться по наклонным поверхностям, исследовать укрытия и рыть норы. При этом исследователи регистрировали активность более 8500 нейронов в коре головного мозга одного животного.
Такой подход позволяет изучать мозг не только в искусственных лабораторных условиях, но и во время поведения, максимально приближенного к естественному. Это особенно важно, когда необходимо понять, как различные участки мозга совместно участвуют в сложных действиях.
Что Airscope уже помог обнаружить
Новая система позволила исследователям изучить несколько типов мозговой активности, связанных с поведением мышей.
Социальное доминирование. Учёные обнаружили характерные закономерности активности в дорсальных областях коры головного мозга, связанные с социальным положением животных. Анализ совокупных сигналов нейронов также позволял прогнозировать, какая из двух мышей одержит верх в конкурентном взаимодействии, ещё до завершения самого эпизода.
Это не означает, что отдельные нейроны напрямую «определяют победителя». Речь идёт о статистических закономерностях в активности больших групп нервных клеток, которые могут отражать особенности поведения и обработки информации мозгом.
Память и поиск вознаграждения. Во время прохождения лабиринта исследователи обнаружили характерные паттерны мозговой активности, связанные с местоположением вознаграждения. Такие наблюдения помогают выяснять, как мозг кодирует информацию о пространстве и использует её при принятии решений.
Связь мозга со спинным мозгом. В отдельных экспериментах учёные использовали два устройства Airscope, чтобы одновременно регистрировать сигналы в мозге и спинном мозге. Во время формирования условной реакции страха они исследовали временные взаимосвязи между активностью этих структур.
Совместное наблюдение за разными участками нервной системы открывает возможность изучать не только локальную активность нейронов, но и взаимодействие между отделами, участвующими в движении, восприятии и эмоциональных реакциях.
Зачем нужен такой миниатюрный монитор мозга
Для нейробиологии свобода движения подопытного животного — не просто вопрос удобства. Поведение мыши, которую удерживают в фиксированном положении или ограничивают проводами, может отличаться от поведения животного, свободно исследующего окружающую среду.
Airscope позволяет одновременно решать две задачи: наблюдать за активностью большого числа нейронов и сохранять естественные условия поведения. Кроме того, система компьютерного зрения помогает обнаруживать и непрерывно отслеживать отдельных животных на видеозаписях, что особенно полезно при изучении их взаимодействий.
Исследователи рассчитывают, что технология поможет глубже понять нейронные механизмы интеллекта, обучения, памяти и социального поведения. В перспективе подобные системы могут найти применение и за пределами нейронауки — например, в иммунологии и онкологии, где важно отслеживать изменения в работе клеток и развитие патологических процессов.
При этом Airscope пока остаётся исследовательским инструментом, а не устройством для повседневного мониторинга человеческого мозга. Эксперименты на лабораторных животных не означают, что технология уже готова к применению в клинической практике.
Тем не менее разработка демонстрирует, насколько компактной может стать современная нейровизуализация. Если учёным удастся и дальше уменьшать размеры оборудования, не жертвуя качеством данных, наблюдать за работой нервной системы в естественных условиях станет значительно проще.
