动物行为与光电专题（44）丨微型荧光显微镜与动物行为

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脑声常谈

2024-12-10 08:40发布于上海科普领域创作者

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同时研究多个皮质区域的活动一直很困难。对于小鼠来说，即使是响应刺激而移动一根胡须的简单任务也涉及到在几个皮层区域处理信息。小鼠经常被用来研究大脑，因为它们具有许多与人类相同的大脑结构和连接性。尽管大脑成像是在头部固定的小鼠身上进行的，但记录自由行为小鼠的神经活动仍然是一个挑战。为了解决这个问题，研究人员报告了一种独特的头戴式微型显微镜设备的开发，该设备使他们能够在300多天内对自由移动的小鼠的复杂大脑功能进行实时成像。该设备被称为Miniscope，为研究皮层多个区域的神经活动如何影响行为、认知和感知提供了一个重要的新工具，为基础研究提供了新的见解，可以改善脑震荡、自闭症、阿尔茨海默病和帕金森病等人类大脑疾病，并更好地了解大脑在成瘾中的作用。
Miniscope能够自由移动，灵活适应各种行为操作箱、迷宫和旷场中的观察需求。这款显微镜在单细胞分辨率下，可同时捕获1000神经元活动。该设备能够在自由和不受约束的行为期间对小鼠的大部分大脑进行成像，而以前的中尺度成像通常是使用MRI或两个光子显微镜等设备在不动的小鼠身上进行的。这种新设备了解大脑的不同区域在复杂行为期间如何相互作用，其中大脑的多个区域同时协同工作。了解连接在疾病状态、创伤性脑损伤或成瘾中如何变化的研究。
   
神经元活动记录
在体钙成像（Miniscope imaging）技术，在自由活动的小鼠当中进行大规模的神经元活动记录。通过这种方法，可鉴定出对场景编码的特定神经元群体，比较不同场景对应的神经元编码群体的差别，跟踪同一神经元群体的编码在关联学习之后的变化。当与微型钙成像和行为视频记录相结合时，可以同时跟踪自由行为的动物在室内的任务表现、运动和方向，并且可以以单细胞分辨率记录目标大脑区域的神经元群活动。通过对单个任务的不同大脑区域进行记录，可以创建一个数据库，该数据库可以针对任何给定的认知测定映射整个大脑中群体活动的差异，然后可以将其与不同动物模型中映射的活动进行可靠的比较。例如，可以记录CA1海马主细胞的钙活动，这些细胞已知编码不同的背景特征，如空间、时间和奖励。可以有效地验证从小鼠疾病模型到狨猴的类似模型的任何发现，从而帮助理解人类疾病模型。
miniscope结合动物行为范式：
  • 动物活动（旷场实验）
  • 动物的行为绝望抑郁情绪评估（悬尾实验）；
  • 动物社交（三箱社交范式）；
  • 学习记忆评估（跳台实验；迷宫实验）；
  • 结合恐惧范式记录：恐惧记忆的减弱（Fear extinction）需要一个主动学习的过程，即在非条件刺激（Unconditional Stimulus，US）不存在的情况下，通过反复的条件刺激（Conditional Stimulus，CS），从而削弱条件刺激（CS）和US的关联。
Miniscope基本可以结合所用动物行为范式进行相应研究。  
微型化佩戴式双光子荧光显微镜，可记录自然行为条件下，小鼠大脑神经元和神经突触活动的高速高分辨图像。对神经突触、神经元、神经网络、多脑区等多尺度、多层次动态信息处理的长时程观察，这样不仅可以“看得见”大脑学习、记忆、决策、思维的过程，还将为可视化研究自闭症、阿尔茨海默病、癫痫等脑疾病的神经机制发挥重要作用。
使用自动触摸屏操作室的一个缺点是，与具有更容易修改的设备和更多实验人员参与的更简单的任务相比，任务获取速度较慢，这一缺点可以通过同时运行多个触摸屏操作室的能力来克服，并同时进行多个不同的实验。
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参考文献：

  • Mosser CA, Haqqee Z, Nieto-Posadas A, Murai KK, Stifani S, Williams S, Brandon MP. The McGill-Mouse-Miniscope platform: A standardized approach for high-throughput imaging of neuronal dynamics during behavior. Genes Brain Behav. 2021 Jan;20(1):e12686.
  • Kandel ER, Markram H, Matthews PM, Yuste R, Koch C. Neuroscience thinks big (and collaboratively). Nat Rev Neurosci. 2013;14(9):659-664.
  • Sejnowski TJ, Churchland PS, Movshon JA. Putting big data to good use in neuroscience. Nat Neurosci. 2014;17(11):1440-1441.
          

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