Een microscoop van één gram laat wetenschappers 8.500 neuronen tegelijk bekijken
Begrijpen hoe de hersenen miljarden neuronen die samen vuren omzetten in een enkele beslissing, een herinnering of een plotselinge beweging is een van de moeilijkste problemen van de wetenschap. Een groot deel van de moeilijkheid is simpelweg het zien gebeuren: de meeste beeldvormende instrumenten zijn omvangrijk, vastgemaakt aan kabels, of kunnen slechts een klein stukje hersenweefsel tegelijk bekijken. Een team van Chinese onderzoekers zegt nu de lichtste draadloze microscoop van zijn soort te hebben gebouwd, een apparaat van slechts één gram dat de activiteit van duizenden neuronen in een vrij bewegend dier kan registreren.
Het instrument is een mesoscoop, een klasse microscopen die is ontworpen om relatief grote weefselgebieden in beeld te brengen in plaats van een enkele cel. Volgens CCTV werkt het apparaat van het team over een gezichtsveld van zes millimeter breed en kan het individuele cellen onderscheiden. In tests op muizen legde het de activiteit van meer dan 8.500 neuronen in de hersenschors tegelijk vast — ongeveer 25 keer het aantal dat vergelijkbare bestaande apparatuur gelijktijdig kan registreren. De resultaten werden op 19 oktober online gepubliceerd in Nature, een van ‘s werelds toonaangevende wetenschappelijke tijdschriften.
De doorbraak is net zozeer een technische prestatie als een biologische. Een conventionele tafelmicroscoop kan niet op het hoofd van een muis meerijden, en een kabel naar een vast opgestelde installatie zou het dier vastbinden en juist het gedrag verstoren dat wetenschappers willen observeren. Het persen van optica, sensoren, voeding en draadloze transmissie in iets dat een dier zonder duidelijke belasting kan dragen, vereiste nieuwe benaderingen voor miniaturisatie en gegevensverwerking. Met één gram is het apparaat licht genoeg dat onderzoekers denken dat het de natuurlijke beweging niet wezenlijk zal beïnvloeden.
Dat is belangrijk omdat gedrag is waar hersenactiviteit betekenis krijgt. Het observeren van vurende neuronen terwijl een dier verkent, socialiseert, een taak leert of op een dreiging reageert, is essentieel voor het begrijpen hoe neurale circuits complex gedrag reguleren. Tot nu toe moesten laboratoria vaak kiezen tussen hoogwaardige registratie bij een dier met vastgezet hoofd en bredere observatie bij een dier dat vrij kon bewegen. Een draadloos apparaat dat duizenden cellen tegelijk vastlegt, belooft die afweging aanzienlijk te verkleinen.
De publicatie in Nature geeft het werk internationale zichtbaarheid en signaleert dat de resultaten een rigoureuze peer review hebben doorstaan. Het plaatst Chinese onderzoeksgroepen ook stevig onder de leiders in neurotechnologie-hardware, een veld waar instrumentontwikkeling historisch werd gedomineerd door laboratoria in de Verenigde Staten en Europa. Het team heeft geen commerciële uitrol gedetailleerd, maar apparaten zoals deze verspreiden zich doorgaans snel in de neurowetenschappelijke gemeenschap, omdat een beter venster op de hersenen nuttig is voor bijna elk laboratorium dat ze bestudeert.
Voor het bredere publiek is de praktische opbrengst waarschijnlijk indirect maar reëel. Het in kaart brengen van hoe grote populaties neuronen zich coördineren is fundamenteel voor werk aan leren, geheugen, slaap en neurologische ziekten. Betere instrumenten produceren niet automatisch behandelingen, maar ze veranderen welke vragen beantwoordbaar worden. Een microscoop die duizenden neuronen door alledaags gedrag kan volgen, maakt sommige voorheen hypothetische experimenten tot routine.
Er zijn beperkingen om op te merken. Het werk is gedaan bij muizen, en het vertalen van bevindingen tussen soorten is nooit automatisch. Het apparaat registreert ook van de cortex, een oppervlakkig gebied, in plaats van diepe hersenstructuren. Toch is het kopnummer — één gram, een beeld van zes millimeter, meer dan 8.500 neuronen tegelijk — het soort mijlpaal dat de verwachtingen herijkt voor wat een draagbare hersensensor kan zijn.
Voor een veld dat lang beperkt is geweest door zijn instrumenten, is dat significant. De volgende stap is zien hoe breed andere laboratoria het apparaat omarmen en welke ontdekkingen volgen zodra het tegelijk observeren van duizenden neuronen gewoon wordt.