Un microscopio liviano que captura la actividad cerebral de ratas a gran escala durante el movimiento

Mientras un ratón explora su entorno, millones de neuronas en todo el cerebro se activan en sincronización. Estudiar sólo una pequeña subsección a la vez puede hacer que se pierda el bosque por los árboles, pero los potentes microscopios capaces de capturar todo el cerebro del ratón a la vez son demasiado pesados ​​para montarlos en un ratón en movimiento.

ahora, Nuevo estudio en ingeniería biomédica natural Ofrece una solución innovadora a este problema: un microscopio que pesa sólo un centavo estadounidense, pero que puede capturar amplias franjas de actividad cerebral con una resolución sin precedentes. «La capacidad de monitorear el cerebro mientras los ratones realizan comportamientos naturales, como interacciones sociales y captura de presas, mejorará nuestra comprensión de cómo la actividad neuronal distribuida a nivel cerebral se relaciona con el comportamiento natural», dice Alibasha Vaziri, de Rockefeller, quien dirigió el estudio. estudiar.

El microscopio es del tamaño de un ratón.

Los mamíferos más grandes pueden acomodar microscopios estándar montados en la cabeza, e incluso los ratones pueden soportar tecnología que pesa alrededor de 20 gramos, u ocho centavos de dólar. Sin embargo, los ratones, organismos modelo para comprender el funcionamiento del cerebro, son mucho más pequeños. Los microscopios diseñados para adaptarse deben pesar menos de tres gramos.

“En los últimos años, hemos visto una explosión en los microscopios montados en cabeza para ratones, pero normalmente solo admiten campos de visión de imágenes de unos pocos cientos de micrómetros con resolución celular, ya que la complejidad del diseño involucrada para campos de visión más grandes conlleva una visión insostenible. .” “Penalización de peso”, dice Waziri. Los modelos existentes que son lo suficientemente livianos para ser transportados por ratones invariablemente perjudican el campo de visión, la resolución y el rango de profundidad de los binoculares (o una combinación de ellos) y son susceptibles a artefactos inducidos por el movimiento.

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Los intentos anteriores de superar esta limitación se han dirigido a hacer que cualquier tecnología ya existente pese menos, como reemplazar piezas metálicas por plástico, por ejemplo, manteniendo al mismo tiempo el diseño óptico básico de los microscopios (particularmente aquellos capaces de obtener imágenes de campos de visión aumentados) para los cuales la luz es pesada. La lente constituye una gran parte del peso. Waziri abordó este desafío con lo que llamó un «enfoque de principios». En lugar de intentar hacer que un sistema complejo basado en lentes pese menos, explicó cuáles eran realmente los objetivos de la tecnología: resolver el problema del mapeo de alta resolución entre puntos en el volumen 3D de la muestra y puntos en la superficie 2D de la muestra. la Cámara. Con eso en mente, se propuso crear un sistema liviano que cumpliera esos objetivos, sin sentirse limitado por la necesidad de adaptarse a un sistema basado en lentes para preservar la imagen.

«Todo el mundo usaba estas pesadas lentes de múltiples elementos e intentaba hacerlas más ligeras», dice Vaziri. «En lugar de preguntar cómo hacer que las lentes sean más ligeras, resolvimos el problema opuesto y lo evitamos, desarrollando una estrategia esencialmente sin lentes y liberándonos de las limitaciones innecesarias de la composición de imágenes basada en lentes».

Nuevo pensamiento = nuevo enfoque

Ingrese los elementos ópticos difractivos (DOE). A diferencia de las lentes convencionales, que tienen una superficie curvada continuamente para generar una curvatura esférica del frente de onda, las lentes solares utilizan microestructuras para manipular la luz mediante difracción, lo que permite un control preciso de las ondas de luz. Son compactos, ligeros y eficientes. En microscopía, la función de una lente convencional es mapear puntos en el espacio sobre un objeto en el plano de la imagen (como el sensor de una cámara), asegurando que la imagen formada se parezca a la escena real. Sin embargo, cuando se intenta crear una imagen con un campo de visión cada vez mayor manteniendo la resolución, los errores (aberraciones ópticas) causados ​​por una sola lente requieren más elementos de lente, lo que lleva a un diseño de lente compuesto.

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Utilizando DOE, el laboratorio Vaziri ha demostrado que es posible mapear con precisión las ubicaciones entre la escena y los sensores sin crear una imagen y luego usar métodos computacionales para reconstruir la escena original.

Sin una lente compuesta voluminosa que lo pese, el pequeño microscopio pesa sólo 2,5 gramos y proporciona imágenes que pueden capturar amplias secciones del cerebro de un ratón en un campo de visión de 3,6 x 3,6 mm² con una resolución lateral de 4 µm, una profundidad de campo de 300 µm y una velocidad de grabación de 16 volúmenes por segundo. La mayoría de sus piezas se pueden imprimir en 3D o aprovechar los sensores económicos de las cámaras de los teléfonos móviles. «Si los laboratorios están interesados, pueden construir fácilmente estos microscopios a bajo costo», afirma Waziri.

Las iteraciones futuras del microscopio pueden incluir transmisión de datos inalámbrica (el modelo actual viene con cables que no interfieren con un solo ratón, pero que pueden enredarse fácilmente al observar varios ratones interactuando entre sí) y tecnología afinada que permite para monitorear regiones del cerebro ubicadas más profundamente dentro de la corteza.

«El sistema conlleva algunos sacrificios y no tiene un rendimiento tan alto como el de los microscopios más grandes», dice Waziri. «Pero esta es una innovación importante, y sólo puede lograrse aportando nuevas ideas al problema y liberándose de las limitaciones percibidas».

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