Długoterminowe obrazowanie zidentyfikowanych populacji neuronów za pomocą mikropryzmatów u zwierząt swobodnie poruszających się i z unieruchomioną głową
19 stycznia 2024
Po zintegrowaniu z płytą czołową i konstrukcją optyczną kompatybilną zarówno z mikroskopami jedno-, jak i dwufotonowymi, soczewka mikropryzmatyczna daje znaczącą przewagę w pomiarze odpowiedzi neuronalnych w pionowej kolumnie w różnych warunkach, w tym w dobrze kontrolowanych eksperymentach w stanach skupienia na głowie lub naturalnych zadaniach behawioralnych u swobodnie poruszających się zwierząt.
Neuronauka systemowa czerpie ogromne korzyści z postępu w technologii obrazowania, zwłaszcza w połączeniu z podejściami molekularnymi i genetycznymi. Naukowcy coraz częściej wykorzystują wysoką rozdzielczość, przewlekłe nagrywanie i celowanie specyficzne dla typu komórki, aby przeanalizować funkcję mózgu w dokładniejszej skali, przez dłuższy czas i w większej pozycji. Jedną z zauważalnych zmian w paradygmatach eksperymentalnych jest odejście od znieczulonego nagrania w kierunku stanów czuwania lub swobodnego poruszania się.
Takie podejście pozwala na scharakteryzowanie aktywności mózgu w warunkach naturalnych, ale także nakłada wyzwania na precyzyjną kontrolę stymulacji i pomiarów. Dzięki temu protokołowi możemy zobrazować te same populacje neuronów u zwierząt z głową i swobodnie poruszających się. Możemy bezpośrednio porównać ich działania zarówno w dobrze kontrolowanych, jak i naturalnych paradygmatach.
Nasz protokół umożliwia badanie przetwarzania informacji sensorycznych w warstwach kory mózgowej. Pozwala nam porównać reakcje neuronalne na kontrolowane bodźce sensoryczne w stanach skupienia głowy i jej zadania behawioralne podczas swobodnego ruchu, ułatwiając w ten sposób zrozumienie dynamiki przetwarzania sensorycznego.
Przegląd
Niniejsze badanie analizuje odpowiedzi neuronalne przy użyciu zaawansowanego protokołu obrazowania, który integruje soczewkę mikroprismatyczną z warunkami unieruchomienia głowy oraz swobodnego poruszania się. Celem badań jest charakterystyka dynamiki przetwarzania sensorycznego w warstwach kory mózgowej, co pozwala na lepsze zrozumienie aktywności mózgu podczas naturalnych zachowań w porównaniu do ściśle kontrolowanych eksperymentów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka systemowa
- Technologia obrazowania neuronowego
- Przetwarzanie sensoryczne
Wstęp
- Postępy w technologiach obrazowania mają kluczowe znaczenie dla neuronauki systemowej.
- Techniki chronicznych rejestracji o wysokiej rozdzielczości poprawiają nasze zrozumienie funkcji mózgu.
- Przejście ze stanu znieczulenia do stanu czuwania lub swobodnego poruszania się pozwala na charakterystykę naturalnej aktywności mózgu.
- Protokół odnosi się do wyzwań związanych z precyzyjną stymulacją i pomiarami podczas swobodnego poruszania się.
Cel badania
- Aby porównać aktywność neuronalną w warunkach z unieruchomioną głową oraz podczas swobodnego poruszania się.
- Aby badać przetwarzanie informacji sensorycznych w różnych warstwach korowych.
- Aby ułatwić zrozumienie dynamiki przetwarzania sensorycznego w naturalnych kontekstach.
Zastosowane metody
- Wykorzystanie soczewki mikroprizmatycznej zintegrowanej z układem optycznym do obrazowania.
- Modele zwierzęce z unieruchomioną głową oraz zwierzęta swobodnie poruszające się w celu obserwacji aktywności populacji neuronalnych.
- Eksperymenty porównujące odpowiedzi na bodźce sensoryczne podczas zadań kontrolowanych i naturalnych.
Główne wyniki
- Protokół umożliwia bezpośrednie porównanie aktywności mózgu w dwóch kontekstach behawioralnych, co zwiększa precyzję metodologiczną.
- Ułatwia szczegółową analizę dynamiki odpowiedzi neuronalnej w odniesieniu do przetwarzania sensorycznego.
- Ważne spostrzeżenia na temat tego, jak aktywność mózgu zmienia się w zależności od różnych paradygmatów eksperymentalnych.
Wnioski
- Niniejsze badanie przedstawia niezawodną metodę obrazowania odpowiedzi neuronalnych w zróżnicowanych warunkach.
- Wyniki te poszerzają naszą wiedzę na temat mechanizmów neuronalnych podczas zadań sensorycznych.
- Wnioski dotyczące badania plastyczności i funkcji mózgu w warunkach naturalnych mają istotne znaczenie.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla sektora przemysłowego
Długoterminowe obrazowanie zidentyfikowanych populacji neuronów w obrębie warstw kory umożliwia bezpośrednie porównanie aktywności neuronalnej w warunkach kontrolowanych i naturalistycznych, co wypełnia istotną lukę w neuronauce translacyjnej. Możliwość ta zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celów terapeutycznych oraz redukuje ryzyko mechanistyczne w portfelach projektów odkrywania leków na OUN. Integracja obrazowania wielowarstwowego w paradygmatach z unieruchomioną głową oraz w warunkach swobodnego poruszania się pozwala na uzyskanie solidnych i powtarzalnych wniosków dotyczących dynamiki przetwarzania sensorycznego, które są istotne w fazie wczesnego odkrywania oraz w badaniach przedklinicznych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia funkcjonalną analizę obwodów neuronalnych w różnych warstwach kory in vivo.
- Wspiera ograniczanie ryzyka biologicznego poprzez porównywanie odpowiedzi neuronalnych w kontrolowanych i naturalnych stanach behawioralnych.
- Ułatwia uzyskanie pewności predykcyjnej w zakresie zaangażowania celu i modulacji szlaków.
Przesiewy i opracowanie testów
- Zapewnia zwalidowane, podłużne obrazowanie zidentyfikowanych populacji komórek w celu standaryzacji testu.
- Dostarcza powtarzalne, ilościowe odczyty aktywności neuronalnej w różnych paradygmatach eksperymentalnych.
- Umożliwia przygotowanie stabilnych systemów biologicznych do późniejszej oceny związków.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Umożliwia dopasowanie pomiarów aktywności neuronalnej do paradygmatów behawioralnych istotnych dla danej choroby.
- Wspiera ciągłość procesu od etapu odkrycia do walidacji przedklinicznej poprzez monitorowanie zmian długoterminowych.
- Usprawnia decyzje dotyczące rozwoju projektów z uwzględnieniem ryzyka dzięki bezpośredniemu porównaniu danych kontrolowanych i naturalistycznych.
Integracja potoków i przepływów pracy
Niniejszy protokół obrazowania łączy wczesne etapy odkryć, walidację celu oraz badania przedkliniczne, umożliwiając podłużną, wielowarstwową analizę populacji neuronów zarówno w stanie z unieruchomioną głową, jak i w stanie swobodnego poruszania się.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków poprzez umożliwienie bezpośredniego pomiaru funkcji obwodów neuronalnych.
- Przesiewanie: Zapewnia powtarzalne, ilościowe wyniki w celu oceny gotowości testu oraz porównania różnych warunków.
- Analityka: Dostarcza wysokorozdzielcze dane podłużne służące do analizy statystycznej i podejmowania decyzji.
- Badania translacyjne: Łączy kontrolowane wyniki eksperymentalne z naturalistycznymi efektami behawioralnymi w celu dopasowania biomarkerów.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy platformę obrazowania z możliwością ponownego wykorzystania w różnych zastosowaniach badawczych nad OUN.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w walidacji celów w OUN.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje przepływy pracy w obrazowaniu i umożliwia powtarzalne oraz skalowalne gromadzenie danych.
- Wartość strategiczna: Poprawia decyzje typu go/no-go oraz efektywność kapitałową poprzez integrację kontrolowanych i naturalistycznych strumieni danych.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację dostosowaną do ryzyka oraz rozwój programów dotyczących OUN.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w zakresie zaawansowanego obrazowania oraz chirurgicznego przygotowania zwierząt.
- Wymaga dostępu do platform mikroskopii wielofotonowej i jednofotonowej.
- Konieczna jest standaryzacja pozyskiwania i analizy danych pomiędzy zespołami.
- Możliwa może być konieczność adaptacji metody dla różnych modeli zwierzęcych lub obszarów kory mózgu.
- Zmienność behawioralna oraz kalibracja sprzętu mają krytyczne znaczenie dla uzyskania wiarygodnych pomiarów.
