Самый маленький в мире монитор активности мозга создали в Китае — он весит 1 грамм и работает без проводов

Народная мудрость гласит, что к другому в голову не залезешь. Но это мечта всех занятых изучением мозга учёных. Слежение за активностью живого мозга даст ответы на множество загадок о природе высшей нервной деятельности людей и животных. Делать это незаметно для подопытных — задача ещё более сложная, с чем успешно справились китайские учёные.

О разработке в свежей публикации в престижном журнале Nature сообщили исследователи Университета Цинхуа (Tsinghua University) и Медицинской школы Народно-освободительной армии Китая (Chinese PLA Medical School). Они создали и испытали беспроводной миниатюрный оптический прибор Airscope массой всего 1 г, который позволил одновременно наблюдать за активностью более 8500 нейронов в коре головного мозга свободно передвигающейся мыши.

Подчеркнём, главная особенность разработки — сочетание широкого поля обзора с малой массой, позволяющее изучать работу больших участков нейронных сетей мозга без фиксации головы животного и подключения прибора проводами к регистрирующей аппаратуре. Для животного прибор не создаёт значительного дискомфорта, позволяя ему вести себя естественно без оглядки на условия эксперимента.

В отличие от обычного микроскопа, который позволяет исследовать сравнительно небольшой участок ткани, Airscope относится к мезоскопам — оптическим системам для наблюдения за большими областями биологической ткани с разрешением, позволяющим различать отдельные клетки. Прибор обеспечивает поперечное разрешение 4 мкм в поле зрения диаметром 6 мм и регистрирует изображения с частотой 12,5 кадра в секунду. По данным авторов, применение разработанных с помощью ИИ асферических линз позволило сократить общую длину оптического тракта в 2,84 раза по сравнению с предыдущими миниатюрными микроскопами.

Airscope оснащён светодиодной подсветкой, флуоресцентной оптикой и двухмегапиксельным сенсором. Данные сохраняются на встроенную карту памяти, а сжатое изображение передаётся на компьютер по Wi-Fi. Прибор регистрирует кальциевые сигналы — изменения флуоресценции, используемые для оценки активности нейронов. Для автоматического анализа поведения животных исследователи разработали систему SAM2Mice, которая выделяет мышей на видеозаписях и отслеживает их движения без дополнительного обучения под каждую конкретную экспериментальную задачу.

В экспериментах мыши с установленными приборами свободно исследовали сложные среды, взаимодействовали друг с другом и участвовали в тестах на социальное доминирование. В одном из экспериментов пять животных одновременно обеспечили регистрацию активности 21 397 нейронов. Исследователи также обнаружили, что характер активности нейронов в нескольких областях коры связан с результатами соперничества между мышами, а активность коры позволяла заранее прогнозировать исход некоторых соревнований. О таком не узнаешь ни под каким микроскопом.

Такие же датчики можно использовать для лечения людей. Это не обязательно может быть мозг, хотя о течении депрессивных состояний он может дать много полезной информации. Беспроводные датчики могут помочь следить за развитием опухолей и восстановлением тканей. Другое дело, что в медицине всё происходит очень медленно просто из этических побуждений, поэтому клинические испытания с участием людей пока даже не планируются.