Para peneliti dari University of Minnesota Twin Cities College of Science and Engineering and Medical School telah mengembangkan perangkat mikroskop mini yang dipasang di kepala yang memungkinkan mereka untuk menggambarkan fungsi otak yang kompleks dari tikus yang bergerak bebas secara real time selama lebih dari 300 hari.
Perangkat, yang dikenal sebagai mini-MScope, menawarkan alat baru yang penting untuk mempelajari bagaimana aktivitas saraf dari berbagai wilayah di bagian luar otak, yang disebut korteks, berkontribusi pada perilaku, kognisi, dan persepsi. Studi inovatif ini memberikan wawasan baru tentang penelitian mendasar yang dapat memperbaiki kondisi otak manusia seperti gegar otak, autisme, Alzheimer, dan penyakit Parkinson, serta lebih memahami peran otak dalam kecanduan.
Penelitian ini dipublikasikan hari ini di jurnal Nature Methods . Penulis studi juga akan mempresentasikan penelitian mereka di Kongres Biofotonik OSA virtual 2021: Optik dalam Ilmu Hayati pada hari Kamis, 15 April.
Di masa lalu, para ilmuwan telah mempelajari bagaimana aktivitas saraf di wilayah tertentu di korteks otak berkontribusi pada perilaku, tetapi sulit untuk mempelajari aktivitas dari beberapa wilayah kortikal sekaligus. Untuk tikus, bahkan tugas sederhana untuk menggerakkan satu kumis sebagai respons terhadap rangsangan melibatkan pemrosesan informasi di beberapa area kortikal. Tikus sering digunakan untuk mempelajari otak karena mereka memiliki banyak struktur dan konektivitas otak yang sama dengan manusia.
“Perangkat ini memungkinkan kami untuk mengambil gambar sebagian besar otak tikus selama perilaku bebas dan tidak terkendali, sedangkan pencitraan mesoscale sebelumnya biasanya dilakukan pada tikus yang tidak bergerak menggunakan perangkat seperti MRI atau dua mikroskop foton,” kata Suhasa Kodandaramaiah, penulis senior studi dan Universitas. dari Minnesota Benjamin Mayhugh Asisten Profesor Teknik Mesin di Sekolah Tinggi Sains dan Teknik. “Perangkat baru ini memungkinkan kita untuk memahami bagaimana berbagai area otak berinteraksi selama perilaku kompleks di mana beberapa area otak bekerja bersama secara bersamaan. Ini membuka penelitian untuk memahami bagaimana konektivitas berubah dalam keadaan sakit, cedera otak traumatis atau kecanduan.”
Mini-MScope baru adalah mikroskop fluoresensi yang dapat menggambarkan area sekitar 10 milimeter kali 12 milimeter dan berat sekitar 3 gram. Hal ini memungkinkan pencitraan holistik sebagian besar permukaan otak tikus. Perangkat ini digunakan untuk pencitraan kalsium, teknik yang biasa digunakan untuk memantau aktivitas listrik otak. Perangkat yang dipasang di kepala mouse menangkap gambar mendekati tingkat sel, sehingga memungkinkan untuk mempelajari koneksi antar wilayah di seluruh korteks.
Para peneliti menciptakan mikroskop miniatur menggunakan LED untuk penerangan, lensa miniatur untuk fokus dan pelengkap logam-oksida-semikonduktor (CMOS) untuk menangkap gambar. Ini termasuk magnet yang saling mengunci yang memungkinkannya dengan mudah ditempelkan pada tengkorak polimer transparan cetak 3D yang secara struktural realistis, yang dikenal sebagai See-Shells, yang dikembangkan para peneliti dalam studi sebelumnya. Saat ditanamkan ke tikus, See-Shells membuat jendela untuk melakukan pemeriksaan mikroskop jangka panjang. Mikroskop baru dapat menangkap aktivitas otak tikus selama hampir setahun.
Para peneliti mendemonstrasikan mini-MScope dengan menggunakannya untuk menggambarkan aktivitas otak tikus sebagai respons terhadap rangsangan visual ke mata, rangsangan getaran ke kaki belakang dan rangsangan somatosensori yang disajikan ke kumis. Mereka juga membuat peta konektivitas fungsional otak saat tikus yang memakai mikroskop di kepala berinteraksi dengan tikus lain. Mereka melihat bahwa konektivitas intrakortikal meningkat saat tikus terlibat dalam perilaku sosial dengan tikus lainnya.
“Tim kami menciptakan seperangkat alat yang akan memungkinkan kami mengakses dan berinteraksi dengan sebagian besar korteks pada resolusi spasial dan temporal yang tinggi,” kata Mathew Rynes, Ph.D. kandidat yang ikut memimpin penelitian. “Studi ini menunjukkan bahwa mini-MScope dapat digunakan untuk mempelajari konektivitas fungsional pada tikus berperilaku bebas, menjadikannya kontribusi penting untuk toolkit ini,” tambah Rynes.
Tim harus mengatasi beberapa tantangan teknik untuk membuat perangkat tersebut.
“Untuk menggambarkan otak pada tikus yang berperilaku bebas, perangkat harus cukup ringan untuk didukung dan dibawa oleh tikus,” kata Daniel Surinach, lulusan magister teknik mesin Universitas Minnesota yang juga ikut memimpin penelitian. . “Dalam rentang kecil ini, kami juga perlu mengoptimalkan optik, resolusi perangkat keras listrik dan pencitraan, pemfokusan, desain iluminasi untuk memberikan cahaya ke otak untuk pencitraan, dan elemen lain untuk mendapatkan gambar yang jelas dari otak tikus selama perilaku alami dan kuat. Kami akhirnya merancang dan menguji lebih dari 175 prototipe unik agar perangkat yang diselesaikan berfungsi! “
Para peneliti sekarang menggunakan mini-MScope untuk menyelidiki bagaimana konektivitas kortikal berubah dalam berbagai paradigma perilaku, seperti menjelajahi ruang baru. Mereka juga bekerja dengan kolaborator yang menggunakan mini-MScope untuk mempelajari bagaimana aktivitas kortikal diubah ketika tikus mempelajari tugas-tugas motorik yang sulit.
“Perangkat ini memungkinkan kita mempelajari otak dengan cara yang belum pernah kita lakukan sebelumnya,” kata Kodandaramaiah, yang juga memegang janji di Departemen Teknik Biomedis dan Sekolah Kedokteran Universitas Minnesota. “Misalnya, kita dapat membayangkan aktivitas otak tikus saat ia surut dan mengalir selama gerakan alami di dalam ruangnya, saat ia pergi tidur, dan saat bangun. Ini memberikan banyak informasi berharga yang akan membantu kita lebih memahami otak. untuk membantu orang yang menderita penyakit atau cedera untuk meningkatkan kehidupan mereka. “
Para peneliti mengatakan langkah selanjutnya adalah meningkatkan resolusi pencitraan dan mempelajari otak pada detail yang lebih halus hingga memeriksa neuron individu. [Sciencedaily, dirgamedia.net]