Deepinminiscope umožňuje 3D zobrazování mozkové aktivity s vysokým rozlišením u myší

Vědci z University of California, Davis, vytvořili miniaturizovaný mikroskop pro neinvazivní zobrazování mozkové aktivity u myší v reálném čase. Zařízení je významným krokem k revoluci toho, jak neurovědci studují mozek.

Děláme to, co vytváří technologii pro zobrazování mozkové aktivity při volně pohybujícím se a chování myší, aby se otevřelo paradigma chování. Cílem je vytvořit zařízení schopné umožnit výzkum mozkové aktivity a chování u myší v reálném čase – vidět, jak mozková aktivita řídí chování nebo vnímání. “

Weijian Yang, profesor elektrického a počítačového inženýrství

Mikroskop posouvá vhled do toho, jak mozek funguje, který se očekává, že bude mít prospěch lidské zdraví tím, že zmocní vývoj nových a vylepšených terapeutických strategií pro poruchy mozku.

První zobrazovací systém, známý jako Deepinminiscope, je popsán v příspěvku zveřejněném 12. září v vědeckém pokroku.

Iterativní design

Deepinminiscope staví na Yangově předchozí práci na vytvoření fotoaparátu bez objektivu schopné produkovat trojrozměrné obrazy z jedné expozice.

Tento zobrazovací systém byl vhodný pro velké objekty v prostředích s minimálním rozptylem světla, jako je robotické vidění pro sestavení součástí, ale snažil se zachytit detaily biologických nebo biomedicínských vzorků. V živé tkáni převládá rozptyl světla, kontrast signálu má tendenci být nízký a rekonstrukce složitých vlastností napříč velkým objemem prostoru je výpočetní problém.

Deepinminiscope řeší tyto problémy s novým designem masky obsahující více než 100 miniaturizovaných čoček s vysokým rozlišením. Nová neuronová síť kombinuje obrázky z každé čočky pro rekonstrukci obrázků ve 3D.

Hluboké (učení) poznatky

Neuronová síť Deepinminiscope kombinuje různé přístupy k strojovému učení a vytvoří rozvinutou neuronovou síť, která umožňuje okamžité, přesné a vysoké rekonstrukci jemných detailů ve velkém 3D svazku. Pomocí tohoto nástroje Yang a jeho výzkumný tým zaznamenali neuronální aktivitu myš v reálném čase.

„Náš algoritmus kombinuje interpretovatelnost, efektivitu, škálovatelnost a přesnost,“ řekl Feng Tian, ​​postdoktorand v Yangově laboratoři a první autor na odpovídajícím papíru. „Vyžaduje to pouze minimální množství dat školení, přesto může robustně a přesně zpracovat rozsáhlé datové sady vysokou rychlostí.“

Trik s kloboukem

Díky tomu, že jeho mikroskop byl malý a ergonomický, aby se myši pohodlně a bezpečně opotřebovalo, když se pohybuje volně, má za cíl umožnit neurovědkům studovat chování v reálném čase.

Na pouhých 3 čtverečních centimetrech, o velikosti hroznu a kolem hmotnosti čtyř haléřů při 10 gramech, je Deepinminiscope téměř tam.

Tam, kde dříve, byly podobné návrhy omezeny velkou stopou tradiční kamery, Deepinminiscope používá senzor jako kompaktní jako deska holého obvodu s obrazovým senzorem, spíše než samostatným a uzavřeným systémem.

Yangův konečný cíl je zařízení o rozloze 2 čtverečních centimetrů, které srovnává s velikostí klobouku pro myš. Navíc pro další iteraci chce Yang učinit zařízení bezdrátového.

„Umožněním pozorování mozkové aktivity v reálném čase u myší s volněmi chováním tato technologie nejen posouvá naše základní chápání toho, jak mozek zpracovává informace a řídí chování, ale také přispívá ke zlepšení našeho porozumění poruch mozku a rozvoji budoucích terapeutických strategií u lidí.“