微型头戴式显微镜来啦！可在自由活动小鼠中进行全皮质成像_风闻

迷你显微镜可用于研究来自大脑皮层的神经活动如何有助于行为、认知和感知，并将为脑震荡、自闭症、阿尔茨海默氏症和帕金森病，以及大脑在成瘾中的作用提供新的见解。

遗传编码钙指示剂的出现以及诸如变薄的头骨或折射率匹配的头骨之类的手术制剂的出现，使得能够在头部固定的小鼠中进行中尺度皮层活动成像。但是，不受约束的行为中的神经活动与头固定动物中的神经活动实质上不同。

对于自由行为小鼠的全皮质成像，研究人员提出了“ mini-mScope”，这是一种宽视野、微型化、头戴式荧光显微镜，与透明的聚合物头骨制剂兼容。该头戴式微型显微镜，可以在300多天的时间里实时成像自由移动老鼠复杂的大脑功能。相关研究成果于2021年4月5日在线发表在《Nature Methods 》杂志上。

过去，科学家们研究了大脑皮层特定区域的神经活动如何影响行为，但同时研究多个皮层区域的活动是困难的。对老鼠来说，即使是对刺激做出反应而移动一根胡须的简单任务也涉及到处理几个皮层区域的信息。老鼠经常被用来研究大脑，因为它们有许多与人类相同的大脑结构和连接性。

该研究的资深作者、明尼苏达大学科学与工程学院机械工程助理教授本杰明·梅休（Benjamin Mayhugh）说：“这个新设备让我们能够理解在复杂的行为过程中大脑的不同区域是如何相互作用的，在复杂的行为过程中大脑的多个区域同时工作在一起。这为理解疾病状态、创伤性脑损伤或上瘾时的连通性变化开辟了研究领域。”

研究人员表示微型头戴式显微镜的设计受到三个标准的限制。第一，设备的总重量需要小于4.0 g，以允许小鼠能够自由活动。第二，该设备需要对老鼠的大部分背侧皮层进行成像。第三，成像分辨率必须清晰。该研究团队开发了透明聚合物头骨，可以长期植入小鼠体内，并通过在三维（3D）打印框架中加入平面，圆盘磁铁嵌入两个侧面的凸耳中，与微型显微镜底部的圆盘磁铁或保护帽对齐。而且在底部外壳的三个照明臂中安装了三个与激发滤光片配对的蓝色发光二极管（LED）。绿色LED提供照明以进行反射率测量。双凸透镜和发射滤光片嵌入底部壳体的中心轴。

用于研究小鼠大脑的小型化、头戴式显微镜

该研究团队设计的是一种与透明聚合物颅骨制剂兼容的宽视场小型头戴式荧光显微镜。在8 × 10 mm2的视野和小于4 g的重量下，微型头戴式显微镜可以成像大部分小鼠背皮层，分辨率在39到56 μm之间。通过使用微型头戴式显微镜记录了在感觉诱发刺激、开放场行为、社交互动和从清醒到睡眠的转变。

微型头戴式显微镜设计好以后，就要对整个对整个皮层的感觉刺激诱发反应进行成像。通过刺激不同的感觉通路引起位于背皮层内的特定初级感觉区的神经活动。小鼠用异氟醚麻醉后给小鼠右后肢（图3a）提供一系列短暂的振动刺激（1秒长，100赫兹），在刺激开始后500毫秒内诱发对侧后肢体感皮层区域的强烈钙活动（图3b，c）。刺激后反应峰值为1.68± 0.49%（图3d）。相比之下，同侧刺激后反应峰值显著降低为0.70 ± 0.34%（图3e）。接下来研究人员给同一只小鼠的左眼使用100毫秒长的白光闪烁（图3g），这引起了对侧视觉皮层中钙活性的强烈增加（图3h，i）。刺激后反应峰值为1.7±0.32%（图3j）。相比之下，同侧视皮层的刺激后反应峰值显著降低为0.38± 0.057%（图3k）。因此，微型头戴式显微镜能够可靠地测量背侧皮层两半球对不同感觉刺激的诱发反应。

用微型头戴式显微镜成像的感觉刺激诱发反应，doi: 10.1038/s41592-021-01104-8

研究人员进一步使用微型头戴式显微镜观察了独居小鼠在野外行为期间以及与同伴小鼠进行社交互动期间皮层区域之间的功能连接（图4a，b）。将单独的野外实验分为四种行为类型：小鼠静止期、活动期、梳理期和饲养期。平均而言，老鼠在竞技场内停留时间的70.6%± 9.0%，而它们在竞技场内移动时间的20.7%± 7.51%。梳理和饲养的频率较低，持续时间较短，分别占7.7±6.02%和1.04±1.17%（图4c）。为了研究社交行为，研究人员先让携带微型显微镜的老鼠探索竞技场，然后再引入同性伴侣老鼠。老鼠花了41.3 ± 19.5%的时间进行社交互动，包括触摸胡须或身体（图4d）。

自由和社交行为期间皮层的中尺度成像，doi: 10.1038/s41592-021-01104-8

总之，研究人员演示了微型MScope，通过它来成像老鼠的大脑活动，对眼睛的视觉刺激、对后肢的振动刺激和对胡须的体感刺激作出反应。当一只戴着头戴式显微镜的老鼠与另一只老鼠互动时，他们还绘制了大脑的功能连接图。他们发现，当老鼠与另一只老鼠进行社交行为时，大脑皮层内的连通性会增加。

最后，Kodandaramaiah说到：“这种装置让我们能够以前所未有的方式来研究大脑。例如，我们可以想象老鼠的大脑活动，当它在空间中自然运动时、当它进入睡眠时、当它醒来时，它的大脑活动会起伏。这提供了许多有价值的信息，将帮助我们更好地了解大脑，帮助患有疾病或受伤的人改善他们的生活。下一步我们将提高成像的分辨率，并对大脑进行更细致的研究。“

原文出处

Rynes, Mathew L et al. “Miniaturized head-mounted microscope for whole-cortex mesoscale imaging in freely behaving mice.” Nature methods, 10.1038/s41592-021-01104-8. 5 Apr. 2021, doi:10.1038/s41592-021-01104-8