- Airscope ist ein drahtloses Mikroskop mit einem Gewicht von nur 1 Gramm, das über 8.500 Neuronen verfolgen kann.
- Das Gerät ermöglicht eine langfristige neuronale Aufzeichnung während der freien Bewegung von Mäusen, mit hoher Signalqualität.
- Die Bildauflösung von Airscope erreicht die Ebene einzelner Zellen und bietet hervorragende Fähigkeiten zur drahtlosen Datenübertragung.
- Die Forscher beobachteten einen Zusammenhang zwischen dem Verhalten der Mäuse und den Mustern der Gehirnaktivität.
Chinesische Forscher haben ein drahtloses Mikroskop mit einem Gewicht von nur 1 Gramm entwickelt, das in der Lage ist, während der freien Bewegung, des Kletterns und des sozialen Verhaltens von Mäusen über 8.500 Neuronen abzubilden. Die Forschungsergebnisse wurden am Montag in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Das Gerät mit dem Namen Airscope wurde von einem Team der Tsinghua-Universität und der Medizinischen Akademie der Volksbefreiungsarmee Chinas gemeinsam entwickelt und gilt als das leichteste Gerät seiner Art. Der Korrespondenzautor der Tsinghua-Universität, Dai Qionghai, erklärte, dass diese Technologie die präzise neuronale Erfassung in optischen Gehirn-Computer-Schnittstellen vorantreiben sollte.
Das Gewicht ist entscheidend, da das Verständnis dafür, wie große Mengen von Neuronen in natürlichen und sozialen Umgebungen komplexes Verhalten steuern, eine der zentralen Herausforderungen der Neurowissenschaften darstellt. Berichten zufolge schränken fest montierte oder kabelgebundene Systeme die Bewegungen ein und können das Verhalten verzerren, während frühere drahtlose Geräte zu schwer und das Sichtfeld zu eng waren. Wu Jiamin, ein Mitglied des Tsinghua-Teams, erklärte, dass traditionelle tragbare Mikroskope in der Regel über 3 Gramm wiegen, während Airscope ohne Batterie nur 1 Gramm wiegt und damit mehr als 30 % leichter ist als vergleichbare Produkte.
Vorteile des drahtlosen Mikroskops
Airscope ist mit einem 2-Megapixel-Sensor ausgestattet, kombiniert mit nur vier asphärischen Linsen im optischen System, was es 2,84-mal kürzer macht als frühere kleine Mikroskope und gleichzeitig eine Bildqualität bietet, die mit der von Tischmikroskopen vergleichbar ist. Die Bildauflösung erreicht die Ebene einzelner Zellen, etwa 4 Mikrometer, und es kann mit einer Bildrate von 12,5 Bildern pro Sekunde in einem Sichtfeld von 6 Millimetern (0,24 Zoll) abgebildet werden. Eine Datenkompressionstechnologie ermöglicht es, Millionen von Pixeln drahtlos zu streamen, und eine magnetisch angebrachte, austauschbare Batterie unterstützt eine langfristige Aufzeichnung.
Das Gerät kann die Calciumaktivität von über 8.500 Neuronen aus einer einzelnen Maus aufzeichnen, was das 25-fache der derzeit verfügbaren drahtlosen Geräte ist. Es kann stabil über 200 Tage aus derselben Gehirnregion aufzeichnen, wobei die Signalqualität mit der von traditionellen Tischmikroskopen vergleichbar ist. Berichten zufolge verwendete das Forschungsteam Airscope, um Mäuse in einem natürlichen Lebensraum von etwa 5 Quadratmetern (54 Quadratfuß) aufzuzeichnen und sie in einem großen Labyrinth mit 32 Endarmen zu erkunden. Wu Jiamin erklärte, dass die kortikale Aktivität der Mäuse systematisch mit der von ihnen getroffenen Umgebung variiert.
Kombination mit Verhaltensanalysetools
Das Gerät kann auch mit Verhaltensanalysetools kombiniert werden und funktioniert in einem raumgroßen Bereich sowie bei Schwimmtests, wobei es gleichzeitig die Aktivitäten mehrerer Tiere aufzeichnen kann. In einem in der Zeitschrift Nature beschriebenen Experiment standen die Aktivitätsmuster des dorsalen Kortex in Zusammenhang mit Verhaltensindikatoren für soziale Vorteile, und die Gruppenaktivität konnte vorhersagen, welche beiden Mäuse in einem Wettkampf gewinnen würden. Die Forscher beobachteten auch Muster, die mit den Belohnungspositionen im Labyrinth verbunden waren. Durch den gleichzeitigen Einsatz von zwei Airscope an einem Tier konnte das Forschungsteam die Aktivität von Gehirn und Rückenmark gleichzeitig aufzeichnen und die Auswirkungen des Rückenmarks auf den Kortex unter Bedingungen von Angst beschreiben.
Der Assistenzprofessor Zhang Yuanlong von der Tsinghua-Universität erklärte, dass dieses Gerät die Aktivitäten der Tiere freier macht und eine großangelegte neuronale Aufzeichnung ermöglicht, die mit einem breiteren Spektrum an natürlichen Verhaltensweisen einhergeht. Dai Qionghai wies darauf hin, dass Airscope ein neues Werkzeug für die Erforschung der neuronalen Grundlagen von Intelligenz bietet und in Zukunft möglicherweise auch in der Immunologie und Onkologie zur Verfolgung des Krankheitsverlaufs eingesetzt werden kann. Die Version in der Zeitschrift Nature wurde als frühzeitige Online-Veröffentlichung herausgegeben und könnte vor der endgültigen Veröffentlichung bearbeitet werden.
Artikel Spezifikationen Sensorpixel 2 Millionen Bildauflösung ca. 4 Mikrometer Sichtfeld 6 Millimeter (0,24 Zoll) Bildrate 12,5 Bilder pro Sekunde Gewicht 1 Gramm
Die Auswirkungen von Airscope auf die neurowissenschaftliche Forschung
Die Entwicklung von Airscope markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Technologie der drahtlosen Mikroskope, insbesondere im Bereich der Neurowissenschaften. Das Gewicht und das Design traditioneller Geräte schränkten die Beobachtung des natürlichen Verhaltens von Tieren ein, während das leichte Design von Airscope es den Forschern ermöglicht, die neuronale Aktivität von Mäusen in sozialen und umweltbedingten Interaktionen realistischer zu erfassen. Diese Technologie verbessert nicht nur die Genauigkeit der neuronalen Abbildung, sondern bietet auch neue Werkzeuge zur Erforschung der neuronalen Grundlagen von Intelligenz und könnte in Zukunft eine wichtige Rolle in anderen biomedizinischen Bereichen wie der Immunologie und Onkologie spielen.