Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе создали миниатюрный микроскоп для визуализации активности мозга мышей в режиме реального времени с высоким разрешением и неинвазивно.
Устройство представляет собой значительный шаг к революции в методах изучения мозга нейробиологами.
«То, что мы делаем, — это создание технологии для визуализации активности мозга у свободно движущихся и ведущих себя мышей, чтобы открыть парадигму поведения», — сказал Вэйцзянь Ян, профессор электротехники и вычислительной техники. «Цель — создать устройство, способное обеспечить исследование активности мозга и поведения мышей в режиме реального времени — увидеть, как активность мозга влияет на поведение или восприятие».
Микроскоп продвинет понимание того, как работает мозг, что, как ожидается, принесёт пользу здоровью человека, способствуя разработке новых и улучшенных терапевтических стратегий для лечения заболеваний мозга.
Первая в своём роде система визуализации, известная как DeepInMiniscope, описана в статье, опубликованной 12 сентября в журнале Science Advances.
DeepInMiniscope основан на предыдущей работе Яна по созданию безлинзовой камеры, способной создавать трёхмерные изображения с одного кадра.
Эта система визуализации хорошо подходила для больших объектов в условиях минимального рассеяния света, например, для роботизированного зрения при сборке деталей, но ей было трудно улавливать детали биологических или биомедицинских образцов. В живой ткани рассеяние света распространено, контраст сигнала имеет тенденцию быть низким, а реконструкция сложных объектов в большом объёме пространства представляет собой вычислительную проблему.
DeepInMiniscope решает эти проблемы с помощью новой конструкции маски, содержащей более 100 миниатюрных линз высокого разрешения. Новая нейронная сеть объединяет изображения с каждой линзы для реконструкции изображений в 3D.
Нейронная сеть DeepInMiniscope сочетает различные подходы к машинному обучению для создания развёрнутой нейронной сети, которая позволяет мгновенно, точно и с высоким разрешением реконструировать мелкие детали в большом трёхмерном объёме. Используя этот инструмент, Ян и его исследовательская группа записали активность нейронов мыши в режиме реального времени.
«Наш алгоритм сочетает интерпретируемость, эффективность, масштабируемость и точность», — сказал Фэн Тянь, постдокторский исследователь в лаборатории Яна и первый автор соответствующей статьи. «Он требует лишь минимального объёма обучающих данных, но при этом может надёжно и точно обрабатывать крупномасштабные наборы данных на высокой скорости».
Сделав свой микроскоп достаточно маленьким и эргономичным, чтобы мышь могла удобно и безопасно носить его при свободном передвижении, Ян стремится предоставить нейробиологам возможность изучать поведение в режиме реального времени.
Имея размер всего 3 квадратных сантиметра, примерно как виноград, и вес около 10 граммов, как четыре монеты, DeepInMiniscope почти готов.
Если раньше аналогичные конструкции ограничивались большими размерами традиционной камеры, то DeepInMiniscope использует датчик, компактный, как голая печатная плата с датчиком изображения, а не автономную и закрытую систему.
Конечная цель Яна — устройство размером 2 квадратных сантиметра, которое он сравнивает с размером мышиной шапочки. Кроме того, в следующей версии Ян хочет сделать устройство беспроводным.
«Позволяя проводить наблюдение в режиме реального времени за активностью мозга у свободно ведущих себя мышей, эта технология не только углубляет наше фундаментальное понимание того, как мозг обрабатывает информацию и управляет поведением, но и способствует улучшению нашего понимания заболеваний мозга и разработке будущих терапевтических стратегий для человека».
Предоставлено Калифорнийским университетом в Дэвисе.