Un microscope léger capture l'activité cérébrale à grande échelle de souris en mouvement

Lorsqu’une souris explore son environnement, des millions de neurones du cerveau fonctionnent de manière synchronisée. Étudier seulement une petite sous-section à la fois reviendrait à passer à côté des arbres, mais les microscopes puissants capables de capturer simultanément l'intégralité du cerveau de la souris sont trop lourds pour être montés sur une souris en mouvement.

Maintenant, une nouvelle étude publiée dans Génie biomédical naturel présente une solution innovante à ce problème : un microscope qui ne pèse qu'un centime américain mais peut capturer de larges pans d'activité cérébrale avec une résolution sans précédent.

“La capacité d'observer le cerveau lorsque les souris adoptent des comportements naturels, tels que les interactions sociales et la capture de proies, fera progresser notre compréhension de la relation entre la neuroactivité distribuée à l'échelle du cerveau et le comportement naturaliste”, a déclaré Alipasha Vaziri, de l'Université Rockefeller, qui a dirigé l'étude.

Microscopie de la taille d'une souris

Les mammifères plus gros peuvent accueillir des microscopes standards montés sur la tête, et même les rats peuvent supporter des technologies pesant environ 20 grammes, soit huit centimes américains. Cependant, les souris, qui sont les organismes modèles incontournables pour comprendre le fonctionnement du cerveau, sont beaucoup plus petites. Les microscopes conçus pour s'y adapter doivent peser moins de 3 grammes.

“Ces dernières années, nous avons assisté à une explosion de microscopes casque pour souris, mais ils ne prennent généralement en charge que des champs de vision d'imagerie de quelques centaines de micromètres à une résolution cellulaire, car la complexité de conception impliquée pour des champs de vision plus larges s'accompagne d'un coût insoutenable. pénalité de poids”, explique Vaziri.

Les modèles existants qui sont suffisamment légers pour que les souris puissent les transporter compromettent invariablement le champ de vision, la résolution et la plage de profondeur du microscope (ou une combinaison de ceux-ci) et sont sujets aux artefacts induits par le mouvement.

Les tentatives antérieures visant à surmonter cette limitation visaient à réduire le poids de toute technologie déjà existante – en remplaçant les pièces métalliques par du plastique, par exemple, tout en conservant la conception optique de base des microscopes (en particulier ceux capables d'imager des champs de vision accrus) dans lesquels un lourd la lentille constitue une part importante du poids.

Vaziri a relevé ce défi dans ce qu'il appelle « une approche fondée sur des principes ». Au lieu d'essayer de réduire le poids d'un système complexe basé sur un objectif, il a clarifié les objectifs réels de la technologie : résoudre un problème de cartographie haute résolution entre des points dans un volume 3D de l'échantillon et des points sur la surface 2D d'une caméra.

C'est dans cet esprit qu'il a décidé de créer un système léger qui répondrait à ces objectifs, sans se sentir contraint par la nécessité de s'adapter à un système basé sur un objectif préservant l'image.

“Tout le monde utilisait ces lentilles lourdes multi-éléments et essayait de les rendre plus légères”, explique Vaziri. ” Au lieu de nous demander comment rendre les objectifs plus légers, nous avons résolu un problème inverse et contourné le problème, en développant une stratégie essentiellement sans objectif et en nous libérant des contraintes inutiles de la formation d'images basées sur des objectifs. “

Nouvelle réflexion = nouvelle approche

Entrez les éléments optiques diffractifs (DOE). Contrairement aux lentilles conventionnelles, qui ont une surface continuellement incurvée pour générer une courbure sphérique du front d'onde, les DOE utilisent des microstructures pour manipuler la lumière par diffraction, permettant ainsi un contrôle précis des ondes lumineuses. Ils sont compacts, légers et efficaces.

En microscopie, la fonction d'un objectif traditionnel est de cartographier les points de l'espace sur un objet sur un plan image (comme un capteur d'appareil photo), garantissant que l'image formée ressemble à la scène réelle. Cependant, à mesure que l'on essaie de former une image avec un champ de vision de plus en plus grand tout en conservant la résolution, les erreurs (aberrations optiques) provoquées par une seule lentille nécessitent davantage d'éléments de lentille, ce qui entraîne une conception de lentille composée.

À l’aide de DOE, le laboratoire Vaziri a démontré qu’il est possible de cartographier avec précision les positions entre la scène et le capteur sans former d’image, puis d’utiliser des méthodes informatiques pour reconstruire la scène originale.

Sans objectif composé lourd pour l'alourdir, le mini microscope ne pèse que 2,5 grammes et fournit une imagerie capable de capturer de larges sections du cerveau de la souris sur un format de 3,6 x 3,6 mm.² champ de vision avec une résolution latérale de 4 μm, une profondeur de champ de 300 μm et une vitesse d'enregistrement de 16 volumes par seconde.

Et la plupart de ses pièces peuvent être imprimées en 3D ou utiliser des capteurs d’appareil photo de téléphone portable bon marché et de qualité grand public. “Si les laboratoires sont intéressés, ils pourraient facilement construire ces microscopes à faible coût”, explique Vaziri.

Les futures itérations du mini microscope pourraient inclure la transmission de données sans fil (le modèle actuel est livré avec des câbles qui ne gêneront pas une seule souris mais pourraient facilement s'emmêler lors de l'observation de plusieurs souris interagissant les unes avec les autres) et un réglage précis de la technologie pour permettre l’observation de zones du cerveau situées plus profondément dans le cortex.

“Le système implique certains sacrifices et n'est pas aussi performant que des microscopes plus grands”, explique Vaziri. “Mais il s'agit d'une innovation clé, qui n'aurait pu provenir que d'une nouvelle réflexion sur le problème et d'une libération des contraintes perçues.”