Ultrakompakte, am Kopf montierte Fluoreszenzmikroskope für neurowissenschaftliche Studien

Forschungsgruppen unter der Leitung von Prof. Bi Guoqiang von der University of Science and Technology of China (USTC) und Prof. Zhou Pengcheng von den Shenzhen Institutes of Advanced Technology der Chinese Academy of Chinese schlugen ein Design für ultrakompakte, am Kopf montierte Fluoreszenzmikroskope vor, die wurden auf Neurobeobachtungen angewendet. Die Studie wurde veröffentlicht in National Science Review.

Kopfmontierte Mikroskope werden zur Kalziumbildgebung bei freilebenden Tieren eingesetzt. Platz- und Gewichtsbeschränkungen bleiben jedoch ein Hindernis. In dieser Studie schlugen die Forscher ein Tightly Integrated Neuronal Imaging-Mikroskop (TINIscope) mit optimierten optischen, elektronischen und mechanischen Designs vor. Mit einem Gewicht von 0,43 g ist TINIscope das leichteste unter den aktuellen Kopfmikroskopen. Aufgrund seiner Kompaktheit ist das TINIscope in der Lage, Kalziumaufnahmen mehrerer Regionen durchzuführen.

Anstatt einen Serialisierungschip zu verwenden, überträgt der Bildsensor direkt serialisierte Daten und reduziert so die Größe erheblich. Einige andere Komponenten wurden ebenfalls herausgeschnitten, so dass nur noch wesentliche Teile übrig blieben. Der verkleinerte Sensor ermöglichte ein optimiertes Beleuchtungsdesign, um den Abstand zwischen optischen Komponenten weiter zu reduzieren.

TINIscope nutzte ein neuartiges Design mit der Platzierung des CMOS-Sensors an der Seite und der LED-Anregung an der Oberseite. Mit dichroitischen Spiegeln, die Emissionsfluoreszenz auf Sensoren reflektieren, könnten mehrere TINIscopes gedreht werden, um ihre Sensoren räumlich zu verteilen. Daher wurde eine Mehrregionenbildgebung erreicht. Schließlich wurde ein Kommutator entwickelt, um eine Verschränkung durch die Bewegung der Maus zu verhindern.

Im Experiment wurde das kalziumempfindliche Fluoreszenzprotein GCaMP6s eingesetzt und jeder der vier Hippocampus-Unterregionen einer Maus wurde eine GRIN-Linse implantiert. Es stellte sich heraus, dass die Ausrüstung von TINIscope keinen offensichtlichen Einfluss auf das Verhalten der Mäuse hatte.

Anschließend wurden ein T-Labyrinth-Test und ein modifizierter Open-Field-Arena-Test durchgeführt und mithilfe einer gegenseitigen Informationsanalyse Neuronen identifiziert, die eine räumliche Abstimmung zeigten. Die Ergebnisse zeigten, dass die erfassten Regionen alle räumlich abgestimmte Neuronen mit einem Anteil von etwa 20 % enthielten.

Unter Ausnutzung der Kompaktheit von TINIscope könnten andere Module kombiniert werden, um multimodale Experimente zu ermöglichen. Die Forscher integrierten TINIscope mit optogenetischer Stimulation und elektrischer Stimulation und zeichneten die Neuronen auf, die auf Stimulationen reagierten.

Es wurde auch eine Kalziumbildgebung in Verbindung mit Elektrodenaufzeichnungen in derselben Gehirnregion durchgeführt, mit der sich deutliche Wellenformen erkennen ließen, die sich im Hippocampus ausbreiteten, wie z. B. scharfe Wellen.