Самый маленький в мире монитор активности мозга создали в Китае — он весит 1 грамм и работает без проводов
Народная мудрость гласит, что в чужую голову не залезешь. Но об этом мечтают все учёные, занимающиеся изучением мозга. Наблюдение за активностью живого мозга даст ответы на множество загадок о природе высшей нервной деятельности людей и животных. Делать это незаметно для подопытных — задача ещё более сложная, с которой успешно справились китайские учёные.
О разработке в свежей публикации в престижном журнале Nature сообщили исследователи Университета Цинхуа (Tsinghua University) и Медицинской школы Народно-освободительной армии Китая (Chinese PLA Medical School). Они создали и испытали беспроводной миниатюрный оптический прибор Airscope массой всего 1 г, который позволил одновременно наблюдать за активностью более 8500 нейронов в коре головного мозга свободно передвигающейся мыши.
Подчеркнём, что главная особенность разработки — сочетание широкого поля обзора с малой массой, позволяющее изучать работу больших участков нейронных сетей мозга без фиксации головы животного и подключения прибора проводами к регистрирующей аппаратуре. Прибор не создаёт для животного значительного дискомфорта, позволяя ему вести себя естественно, не отвлекаясь на условия эксперимента.
В отличие от обычного микроскопа, который позволяет исследовать сравнительно небольшой участок ткани, Airscope относится к мезоскопам — оптическим системам для наблюдения за большими областями биологической ткани с разрешением, позволяющим различать отдельные клетки. Прибор обеспечивает поперечное разрешение 4 мкм в поле зрения диаметром 6 мм и регистрирует изображения с частотой 12,5 кадра в секунду. По данным авторов, применение разработанных с помощью ИИ асферических линз позволило сократить общую длину оптического тракта в 2,84 раза по сравнению с предыдущими миниатюрными микроскопами.
Airscope оснащён светодиодной подсветкой, флуоресцентной оптикой и двухмегапиксельным сенсором. Данные сохраняются на встроенную карту памяти, а сжатое изображение передаётся на компьютер по Wi-Fi. Прибор регистрирует кальциевые сигналы — изменения флуоресценции, используемые для оценки активности нейронов. Для автоматического анализа поведения животных исследователи разработали систему SAM2Mice, которая выделяет мышей на видеозаписях и отслеживает их движения без дополнительного обучения для каждой конкретной экспериментальной задачи.
В экспериментах мыши с установленными приборами свободно исследовали сложные среды, взаимодействовали друг с другом и участвовали в тестах на социальное доминирование. В одном из экспериментов удалось одновременно зарегистрировать активность 21 397 нейронов у пяти животных. Исследователи также обнаружили, что характер активности нейронов в нескольких областях коры связан с результатами соперничества между мышами, а по активности коры можно было заранее прогнозировать исход некоторых соревнований. О таком не узнаешь, глядя в обычный микроскоп.
Подобные датчики потенциально можно использовать и в медицине. Причём речь не обязательно должна идти о мозге, хотя наблюдение за его активностью может дать много полезной информации, например, о развитии депрессивных состояний. Беспроводные датчики могут помочь следить за развитием опухолей и восстановлением тканей. Другое дело, что внедрение новых технологий в медицину происходит очень медленно, в том числе по этическим соображениям, поэтому клинические испытания с участием людей пока даже не планируются.