Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе создали миниатюрный микроскоп для неинвазивной визуализации активности мозга мышей с высоким разрешением в режиме реального времени. Это устройство — значительный шаг к революционным изменениям в подходах нейробиологов к изучению мозга.
«Мы создаём технологию для визуализации активности мозга свободно движущихся и ведущих себя нормально мышей, чтобы расширить парадигму поведения», — сказал Вэйцзянь Ян, профессор электротехники и вычислительной техники. «Цель — создать устройство, позволяющее исследовать активность мозга и поведение мышей в режиме реального времени, чтобы увидеть, как активность мозга влияет на поведение или восприятие».
Микроскоп позволит лучше понять работу мозга, что, как ожидается, принесет пользу здоровью человека, способствуя разработке новых и усовершенствованных терапевтических стратегий лечения заболеваний мозга.
Первая в своем роде система визуализации, известная как DeepInMiniscope, описана в статье, опубликованной 12 сентября в журнале Science Advances.
Итеративный дизайн
DeepInMiniscope является продолжением предыдущей работы Янга по созданию безлинзовой камеры, способной получать трехмерные изображения с помощью одной экспозиции.
Эта система визуализации хорошо подходила для крупных объектов в условиях минимального рассеяния света, например, для роботизированного зрения при сборке деталей, но испытывала трудности с детализацией биологических или биомедицинских образцов. В живых тканях рассеяние света является преобладающим явлением, контрастность сигнала, как правило, низкая, а реконструкция сложных объектов в большом объёме пространства представляет собой вычислительную задачу.
DeepInMiniscope решает эти проблемы благодаря новой конструкции маски, содержащей более 100 миниатюрных линз высокого разрешения. Новая нейронная сеть объединяет изображения с каждой линзы для трёхмерной реконструкции.
Глубокие (обучающие) идеи
Нейронная сеть DeepInMiniscope сочетает в себе различные подходы к машинному обучению, создавая развёрнутую нейронную сеть, которая позволяет мгновенно, точно и с высоким разрешением реконструировать мелкие детали в большом трёхмерном пространстве. Используя этот инструмент, Ян и его исследовательская группа записали нейронную активность мыши в режиме реального времени.
«Наш алгоритм сочетает в себе интерпретируемость, эффективность, масштабируемость и точность», — сказал Фэн Тянь, научный сотрудник лаборатории Яна и первый автор соответствующей статьи. «Для него требуется лишь минимальный объём обучающих данных, но при этом он способен надёжно и точно обрабатывать большие наборы данных на высокой скорости».
Хет-трик
Сделав свой микроскоп достаточно маленьким и эргономичным, чтобы мышь могла удобно и безопасно его носить, свободно перемещаясь, Ян стремится дать возможность нейробиологам изучать поведение в режиме реального времени.
Площадь DeepInMiniscope составляет всего 3 квадратных сантиметра, что примерно равно размеру виноградины, а вес — примерно четырем пенни (10 граммов). DeepInMiniscope почти достиг цели.
Если ранее аналогичные конструкции ограничивались большими габаритами традиционной камеры, то в DeepInMiniscope используется компактный датчик, представляющий собой пустую печатную плату с датчиком изображения, а не автономную и закрытую систему.
Конечная цель Яна — устройство площадью 2 квадратных сантиметра, что он сравнивает с размером шляпы для мыши. Кроме того, в следующей версии Ян хочет сделать устройство беспроводным.
«Давая возможность наблюдать за активностью мозга в режиме реального времени у свободно ведущих себя мышей, эта технология не только расширяет наше фундаментальное понимание того, как мозг обрабатывает информацию и управляет поведением, но и способствует улучшению нашего понимания расстройств головного мозга и разработке будущих терапевтических стратегий для людей».
