Hur hjärnforskare överlistar sina labbmöss

Forskare kan nu observera hjärnan hos laboratoriedjur i mikroskopisk detalj när djuren gör något. En teknik som kallas tvåfotonavbildning, i synnerhet, tillåter neuroforskare att titta på tusentals neuroner som arbetar tillsammans för att koda information.

En mus är redo att gå in i ett virtuell verklighetssystem där dess hjärna kan avbildas medan den tror att den springer genom en labyrint.

Problemet är att tvåfotonavbildning kräver att djurets huvud förblir fixerat på plats. Det verkar utesluta att titta på hjärnan eftersom djuret gör något av stort intresse.

En kreativ lösning är virtuell verklighet – en datorgenererad miljö som upplevs via ett headset. För några år sedan började neuroforskare designa små virtuella verklighetssystem för att lura möss att tro att de navigerade i en labyrint när de verkligen sprang på toppen av en stor boll, med huvudena fixerade i position.

Fram till nu sprang möss inte på bollen förrän de hade tränat i veckor. Nicholas Sofroniew, som arbetade med andra på HHMI Janelia Campus i Virginia, skapade en taktil virtuell labyrint som mössen verkar förstå direkt: de navigerar genom virtuella korridorer utan träning. På senare tid har han arbetat med Jeremy Freeman för att utöka komplexiteten i systemet.

Den är utformad för att utnyttja hur möss navigerar i naturen, säger Freeman. Istället för att i första hand lita på sina ögon, är möss mycket beroende av sina morrhår för att känna sig igenom världen.

I den morrhårsorienterade virtuella verkligheten rör sig väggarna för att ge musen en illusion av att den springer nerför vindlande korridorer, säger han. Men hela tiden är gnagarens huvud stillastående.

En högupplöst bild visar nervceller i aktion när musen navigerar i virtuell verklighetssystemet.

Karel Svoboda, en senior forskare på projektet, säger att de redan har lärt sig att olika neuroner eldar beroende på avståndet mellan musens huvud och väggen. Hjärnan verkar översätta input från morrhåren till en form som musen kan använda.

Bildtekniken, som Svoboda hjälpte till att utveckla, bygger på fluorescerande proteiner från maneter. Forskarna förändrar mössen genetiskt så att deras celler gör detta fluorescerande protein i en form som aktiveras när de utsätts för kalciumjoner. Neuroner kommunicerar genom att överföra kalciumjoner, så de taggade neuronerna lyser upp i samverkan med hjärnans aktivitet. För att se och registrera vad som händer byter forskarna ut en del av djurens skallar med ett litet fönster.

Forskare har länge kunnat lyssna på enstaka neuroner med hjälp av elektroder, säger Svoboda, men det är som att bara kunna höra ett instrument under en symfoni. Nu, säger han, kan de se hur information flödar genom hjärnan medan musen lär sig att hantera en ny, om än virtuell, miljö.

Även om musens huvud inte rör sig, är den engagerad i vad Svoboda kallar aktiv sensation. Vi gör det när vi flyttar runt våra ögon för att utforska vår omgivning. Möss gör det också, och de flyttar också sina morrhår för att utforska efter känsla. Mushjärnan verkar använda uppsättningar av neuroner för att representera avstånd, säger han.

I slutändan hoppas forskarna förstå hur hjärnan beräknar information. Det kan hjälpa till att avslöja vad som händer vid sjukdomar som autism. Vi vill förstå hur hjärnor gör allt som är involverat i avkänning, lärande och beslutsfattande, säger Freeman.

Vad de verkligen skulle vilja är att förstå mekanismen för inlärning och komma in på intelligensens natur. Det är ett svårt problem, säger han, men att försöka förstå hjärnan samtidigt som man utforskar uppslukande miljöer är en av våra bästa bilder.

Dölj