Китайские ученые разработали беспроводной микроскоп весом всего 1 грамм, способный регистрировать активность нейронов головного мозга мышей с разрешением до одной клетки в естественной среде.
Как передает Oxu.Az со ссылкой на "Синьхуа", прибор, названный Airscope, создан командой профессора Университета Цинхуа Дай Цюнхая в сотрудничестве с другими исследователями.
Преодоление весового барьера
Понимание того, как мозг управляет поведением в сложных условиях, критически важно для изучения интеллекта и создания оптических нейрокомпьютерных интерфейсов. Однако ученые долго сталкивались с дилеммой: либо использовать массивные стационарные приборы с высоким разрешением, жестко фиксируя голову животного, либо применять легкие нательные датчики, которые имеют крайне малый обзор (менее 1 мм) и не позволяют охватить крупные участки коры.
Создание Airscope разрешило этот компромисс. Благодаря интегрированному дизайну и системной оптимизации, инженерам удалось уместить двухмегапиксельный сенсор в корпус весом в 1 грамм. Прибор проводит сжатие данных прямо на борту и передает мегапиксельное изображение по беспроводной сети, обеспечивая разрешение в 4-6 микрометров при поле зрения в 6 мм. Эксперименты показали, что мыши с Airscope на голове могут свободно лазать по канатам и пробираться через узкие трубки без потери скорости и маневренности.
Масштабный мониторинг и рекордная автономность
Качество сигналов, регистрируемых Airscope, оказалось сопоставимо со стационарными лабораторными аналогами. В сочетании с уникальным алгоритмом извлечения данных устройство способно одновременно отслеживать активность более 8 500 нейронов в 14 областях коры одного полушария. Это примерно в 25 раз превышает возможности существующих беспроводных систем. Более того, стабильный мониторинг на одном участке мозга может продолжаться свыше 200 дней.
Чтобы протестировать систему в условиях, приближенных к дикой природе, биологи переселили грызунов из клеток в просторный вольер площадью 5 кв. м с укрытиями, рампами и деревянными домиками. В такой среде мыши двигались вдвое быстрее и демонстрировали 16 различных типов сложного поведения (копание, лазание, социальные контакты). Исследователи также провели тесты с долгосрочным изучением лабиринта из 32 тупиков.
Перспективы для науки и медицины
Анализ данных показал, что активность коры меняется системно в зависимости от ландшафта, в котором находится животное. Обученная модель глубокого обучения смогла с высокой точностью определять, где в вольере находится мышь, опираясь исключительно на проявления нейронной активности.
По словам авторов, Airscope дарит нейробиологам беспрецедентную свободу действий. В будущем сфера применения микроскопа может выйти за рамки когнитивных исследований. Прибор планируют адаптировать для нужд иммунологии и онкологии, что позволит осуществлять непрерывный и полный трекинг развития различных заболеваний в живом организме.
