Поведенческие процессы связаны со схемами активации мозга. Картирование нейронной основы поведенческих различий, таких как зрительно-моторное обучение, извлечение памяти, ассоциативное обучение или пространственная навигация, может быть реализовано с помощью контролируемой полиморфной экспериментальной манипуляции. Это может быть изменение информации о стимуле, задании или поощрении и наказании, которые изменяют основную модель активации мозга. Мониторинг или получение данных о поведении и параллельная визуализация нейронных цепей в мозге живого животного могут выявить соответствие между изменениями на клеточном и поведенческом уровнях.
Двухфотонный микроскоп FEMTO3D Atlas
Трехмерная коррекция движения, реализованная в микроскопе FEMTO3D Atlas, позволяет регистрировать активность клеток, когда животное движется в виртуальной реальности и выполняет задачи. Технология акустооптического сканирования полезна для коррекции движений тканей. Для сохранения сигналов точки сканирования расширяются до линий смещения, которые точно подогнаны друг к другу, в результате чего элементы поверхности или объема охватывают целевой объект. Эти элементы охватывают не только предварительно выбранные области интереса, но и соседние области, что дает возможность сохранить всю флуоресцентную информацию во время движений и уменьшить артефакты более чем на один порядок в поведении животных.
Возможности поверхностного и объемного сканирования с трехмерной коррекцией движения
Методы сканирования поверхности оптимизированы по скорости, в то время как методы, основанные на объемной визуализации, оптимизированы для движений с большой амплитудой. Поддержание частоты сканирования в 10 – 1000 Гц необходимо для разрешения нейронной активности в отдельных областях интереса. Каждый режим сканирования полезен для различных нейробиологических целей: Ribbon scanning, Snake scanning, Multiple-line scanning режимы оптимальны для различных измерений дендритов, тогда как Chessboard scanning и Multi-cube scanning лучше всего подходят для соматических измерений. Подробнее: Szalay et. al, Neuron (2016)
Одновременная запись активности нейронов и поведения мыши во время визуальной стимуляции в среде виртуальной реальности (VR)
На верхней панели показана схема эксперимента. Двухфотонное изображение было получено с использованием режима трехмерного многострочного сканирования в микроскопе FEMTO3D Atlas, в то время как мышь была помещена в установку виртуальной реальности, где окружающая среда менялась в соответствии с движениями мыши. В определенных местах животное получало вознаграждение (зона вознаграждения) или наказание (зона отвращения). Нижняя панель демонстрирует выбранные нейроны и расположение изображений, а также их кальциевую активность в соответствии с собранными данными о движении. Зоны отвращения и вознаграждения отмечены красным и зеленым цветом соответственно.
Визуализация Ca2+ интернейронов VIP во время задачи слухового различения
Слева: схема эксперимента. Интернейроны VIP визуализировались в режиме сканирования шахматной доски FEMTO3D Atlas, в то время как мышь выполняла задачу слухового различения. В этом «классическом» поведенческом экспериментальном протоколе мышей, лишенных воды, обучали ассоциировать водное вознаграждение с тоном «давай», а наказание — с тоном «нет». Всего было получено изображение 811 VIP-клеток из 18 областей головного мозга. На правой панели каждая строка растрового графика представляет усредненный ответ нейрона на «Попадание» и «Ложная тревога», а на графике показаны ответы Ca2+ одного интернейрона VIP, усредненные для «Попадание» (жирный зеленый), «Ложная тревога» (жирный красный), «Промах» (тонкий зеленый) и правильное отклонение (CR, тонкий красный).
Записи активности интернейронов гиппокампа во время случайного поиска пищи, переназначения контекста и экспериментов по целенаправленному обучению
В этих поведенческих тестах мышей с ограничением воды обучали бегать по тканевому поясу, обогащенному тактильными сигналами, а также оперативно лизать и получать воду в зависимости от типа эксперимента. Регистрировали скорость животного и одновременно визуализировали интернейроны гиппокампа в режиме сканирования Chessboard scanning FEMTO3D Atlas. На рисунке показано, что более 200 интернейронов визуализировались одновременно во время поведенческой задачи случайного поиска пищи, а состояние передвижения животного (скорость, движение, неподвижность) было связано с активностью Ca2+ впоследствии охарактеризованных типов интернейронов. Подробнее Geiller et al. Neuron (2020)
