Однограммовый микроскоп позволяет ученым наблюдать за 8500 нейронов одновременно
Понимание того, как мозг превращает одновременную активность миллиардов нейронов в конкретное решение, воспоминание или внезапное движение, — одна из сложнейших задач науки. Значительная часть трудности заключается в том, чтобы просто увидеть этот процесс: большинство инструментов визуализации громоздки, привязаны к кабелям или способны наблюдать лишь за небольшим участком мозговой ткани. Команда китайских исследователей утверждает, что создала самый легкий в своем роде беспроводной микроскоп — устройство весом всего один грамм, способное регистрировать активность тысяч нейронов у свободно перемещающегося животного.
Этот прибор представляет собой мезоскоп — класс микроскопов, предназначенных для визуализации относительно крупных участков ткани, а не отдельных клеток. По данным CCTV, устройство команды работает в поле зрения шириной шесть миллиметров и может различать отдельные клетки. В испытаниях на мышах оно одновременно зафиксировало активность более 8500 нейронов в коре головного мозга — примерно в 25 раз больше, чем способно одновременно регистрировать сопоставимое существующее оборудование. Результаты были опубликованы онлайн 19 октября в журнале Nature, одном из ведущих научных изданий мира.
Этот прорыв — в равной степени инженерное достижение и биологическое. Обычный настольный микроскоп не может разместиться на голове мыши, а кабель, идущий к стационарной установке, привязал бы животное и исказил бы именно то поведение, которое ученые хотят наблюдать. Чтобы уместить оптику, датчики, питание и беспроводную передачу в устройство, которое животное может нести без заметного напряжения, потребовались новые подходы к миниатюризации и обработке данных. При весе в один грамм устройство достаточно легкое, чтобы, по мнению исследователей, существенно не мешать естественным движениям.
Это важно, потому что поведение — это то, где активность мозга обретает смысл. Наблюдение за активностью нейронов, пока животное исследует окружающее пространство, общается, учится выполнять задачу или реагирует на угрозу, имеет центральное значение для понимания того, как нейронные цепи регулируют сложное поведение. До сих пор лабораториям часто приходилось выбирать между регистрацией с высоким разрешением у животного с зафиксированной головой и более широким наблюдением за животным, способным свободно двигаться. Беспроводное устройство, регистрирующее тысячи клеток одновременно, обещает значительно сократить этот компромисс.
Публикация в Nature обеспечивает работе международную известность и свидетельствует о том, что результаты прошли строгую экспертную оценку. Она также прочно ставит китайские исследовательские группы в число лидеров в области аппаратного обеспечения нейротехнологий — сфере, где создание инструментов исторически доминировали лаборатории США и Европы. Команда не раскрыла подробностей коммерческого внедрения, но подобные устройства, как правило, быстро распространяются в нейробиологическом сообществе, поскольку более совершенное окно в мозг полезно почти каждой лаборатории, изучающей его.
Для широкой публики практическая отдача, вероятно, будет косвенной, но реальной. Картирование того, как координируются большие популяции нейронов, является основополагающим для исследований обучения, памяти, сна и неврологических заболеваний. Лучшие инструменты не создают методы лечения автоматически, но они меняют то, какие вопросы становятся доступными для ответа. Микроскоп, способный отслеживать тысячи нейронов в повседневном поведении, превращает некоторые ранее гипотетические эксперименты в рутинные.
Стоит отметить и ограничения. Работа проводилась на мышах, а перенос результатов между видами никогда не бывает автоматическим. Устройство также регистрирует активность с коры — поверхностной области, а не глубинных структур мозга. Тем не менее, главный показатель — один грамм, шестимиллиметровое поле зрения, более 8500 нейронов одновременно — это тот вид вехи, который меняет представления о том, каким может быть носимый датчик мозга.
Для области, которая долгое время была ограничена своими инструментами, это значимо. Следующий шаг — увидеть, насколько широко другие лаборатории примут это устройство и какие открытия последуют, когда наблюдение за тысячами нейронов одновременно станет обычным делом.