Долгосрочная визуализация идентифицированных нейронных популяций с использованием микропризм у свободно движущихся животных и животных с фиксированной головой
19 января 2024 г.
При интеграции с головной пластиной и оптической конструкцией, совместимой как с однофотонными, так и с двухфотонными микроскопами, микропризменная линза представляет собой значительное преимущество при измерении нейронных реакций в вертикальной колонке в различных условиях, включая хорошо контролируемые эксперименты в состояниях, зафиксированных головой, или естественные поведенческие задачи у свободно движущихся животных.
Системная нейробиология извлекает большую пользу из прогресса в технологиях визуализации, особенно в сочетании с молекулярно-генетическими подходами. Исследователи все чаще используют высокое разрешение, хроническую запись и нацеливание на тип клеток, чтобы проанализировать функции мозга в более тонком масштабе, в более длительном времени и в большем положении. Одним из заметных сдвигов в экспериментальных парадигмах является переход от анестезирующей записи к бодрствующим или свободно движущимся состояниям.
Такой подход позволяет характеризовать активность мозга в естественных условиях, но также создает трудности для точного контроля стимуляции и измерений. С помощью этого протокола мы можем визуализировать одни и те же нейронные популяции у свободно движущихся животных с фиксированной головой. Мы можем напрямую сравнивать их деятельность как в хорошо контролируемой, так и в естественной парадигмах.
Наш протокол позволяет изучать обработку сенсорной информации в корковых слоях. Это позволяет нам сравнивать нейронные реакции на контролируемые сенсорные стимулы в состояниях, зафиксированных головой, и их поведенческие задачи во время свободного движения, тем самым облегчая наше понимание динамики обработки сенсорной информации.
Обзор
В данном исследовании изучаются нейронные ответы с использованием усовершенствованного протокола визуализации, который объединяет использование микропризматической линзы в условиях фиксации головы и свободного перемещения. Целью работы является характеристика динамики сенсорной обработки в различных слоях коры, что позволяет расширить наше понимание активности мозга при естественном поведении в сравнении с хорошо контролируемыми экспериментами.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Системная нейробиология
- Технологии нейровизуализации
- Сенсорная обработка
Теоретическая часть
- Достижения в области технологий визуализации имеют критическое значение для системной нейробиологии.
- Методы хронической регистрации с высоким разрешением расширяют наше понимание функций мозга.
- Переход от состояний под наркозом к состояниям бодрствования или свободного перемещения позволяет характеризовать активность мозга в естественных условиях.
- В данном протоколе рассматриваются проблемы точной стимуляции и проведения измерений во время свободного перемещения.
Цель исследования
- Для сравнения нейронной активности в условиях фиксации головы и при свободном перемещении.
- Для изучения обработки сенсорной информации в различных слоях коры.
- Для более глубокого понимания динамики сенсорной обработки в естественных условиях.
Используемые методы
- Использование микропризматической линзы, интегрированной в оптическую схему визуализации.
- Использование моделей животных с фиксированной головой и свободно перемещающихся животных для наблюдения за активностью нейронных популяций.
- Эксперименты по сравнению ответов на сенсорные стимулы в ходе контролируемых и естественных задач.
Основные результаты
- Данный протокол позволяет проводить прямое сравнение активности мозга в двух поведенческих контекстах, что повышает точность методики.
- Облегчает детальное изучение динамики нейронного ответа в связи с сенсорной обработкой.
- Предоставляет важные сведения о том, как изменяется активность мозга при различных экспериментальных парадигмах.
Заключение
- В данном исследовании продемонстрирован надежный метод визуализации нейронных ответов при различных условиях.
- Полученные результаты расширяют наше понимание нейронных механизмов при выполнении сенсорных задач.
- Результаты имеют важное значение для изучения пластичности и функций мозга в естественных условиях.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Долговременная визуализация идентифицированных популяций нейронов в различных слоях коры позволяет напрямую сравнивать нейронную активность в контролируемых и естественных условиях, что устраняет критический пробел в трансляционной нейробиологии. Эта возможность повышает прогностическую уверенность при валидации мишеней и снижении механистических рисков для портфелей препаратов, направленных на ЦНС. Интеграция многослойной визуализации в парадигмах как с фиксацией головы, так и при свободном движении обеспечивает получение надежных и воспроизводимых данных о динамике сенсорных процессов, имеющих значение для этапов раннего поиска и доклинических исследований.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишеней
- Позволяет проводить функциональный анализ нейронных цепей в различных слоях коры головного мозга in vivo.
- Способствует снижению биологических рисков путем сравнения нейронных ответов в контролируемых и естественных поведенческих состояниях.
- Обеспечивает прогностическую уверенность в воздействии на мишени и модуляции сигнальных путей.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает валидированную лонгитюдную визуализацию идентифицированных клеточных популяций для стандартизации анализа.
- Предоставляет воспроизводимые количественные показатели нейронной активности в различных экспериментальных парадигмах.
- Позволяет подготавливать стабильные биологические системы для последующей оценки соединений.
Трансляционные и доклинические исследования
- Сопоставляет измерения нейронной активности с поведенческими парадигмами, релевантными для конкретного заболевания.
- Обеспечивает непрерывность процесса от этапа открытия до доклинической валидации за счет отслеживания долгосрочных изменений.
- Оптимизирует принятие решений о продвижении проекта с учетом рисков путем прямого сравнения данных, полученных в контролируемых условиях и в естественной среде.
Интеграция конвейера и рабочих процессов
Данный протокол визуализации связывает этапы раннего поиска, валидации мишени и доклинических исследований, обеспечивая возможность многослойного лонгитюдного анализа популяций нейронов как в состоянии фиксации головы, так и при свободном перемещении.
- Биология открытий: способствует проверке гипотез и уточнению путей за счет возможности прямого измерения функции нейронных цепей.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные результаты для проверки готовности анализа и сравнения различных условий.
- Аналитика: предоставляет лонгитюдные данные высокого разрешения для статистического анализа и принятия решений.
- Трансляционные исследования: связывает результаты контролируемых экспериментов с поведенческими исходами в естественных условиях для согласования биомаркеров.
- Корпоративное повторное использование: создает многоцелевую платформу визуализации для различных прикладных исследований ЦНС.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает прогностическую достоверность и снижает механистическую неоднозначность при валидации мишеней в ЦНС.
- Операционная ценность: Стандартизирует рабочие процессы визуализации и обеспечивает воспроизводимый, масштабируемый сбор данных.
- Стратегическая ценность: Улучшает принятие решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) и повышает эффективность использования капитала за счет интеграции контролируемых и натуралистических потоков данных.
- Влияние на портфель: Поддерживает приоритезацию с учетом рисков и продвижение программ по изучению ЦНС.
Особенности внедрения
- Требуется опыт работы с методами продвинутой визуализации и хирургической подготовки животных.
- Необходим доступ к платформам многофотонной и однофотонной микроскопии.
- Требуется стандартизация сбора и анализа данных между исследовательскими группами.
- Может потребоваться адаптация метода для различных моделей животных или областей коры.
- Поведенческая вариабельность и калибровка оборудования имеют решающее значение для получения достоверных результатов измерений.
