Des chercheurs de l'Université de Californie à Davis ont créé un microscope miniaturisé pour l'imagerie non invasive en temps réel, à haute résolution et non invasive de l'activité cérébrale chez la souris. L'appareil est une étape importante vers la révolution de la façon dont les neuroscientifiques étudient le cerveau.
« Ce que nous faisons, c'est de créer une technologie pour image l'activité cérébrale chez des souris déplacées et se comportant librement pour ouvrir le paradigme du comportement », a déclaré Weijian Yang, professeur d'ingénierie électrique et informatique. « L'objectif est de créer un appareil capable de permettre la recherche sur l'activité du cerveau et le comportement chez la souris en temps réel – pour voir comment l'activité cérébrale stimule le comportement ou la perception. »
Le microscope fera progresser les informations sur le fonctionnement du cerveau, qui devrait profiter à la santé humaine en renforçant le développement de stratégies thérapeutiques nouvelles et améliorées pour les troubles cérébraux.
Le premier système d'imagerie en son genre, connu sous le nom de Deepinminiscope, est décrit dans un article publié le 12 septembre Avancées scientifiques.
Design itératif
Deepinminiscope s'appuie sur les travaux précédents de Yang pour créer une caméra sans lentille capable de produire des images tridimensionnelles à partir d'une seule exposition.
Ce système d'imagerie était bien adapté pour les grands objets dans des environnements avec une diffusion minimale de la lumière, comme une vision robotique pour l'assemblage de pièces, mais a eu du mal à capturer les détails des échantillons biologiques ou biomédicaux. Dans les tissus vivants, la diffusion de la lumière est répandue, le contraste du signal a tendance à être faible et à reconstruire les caractéristiques complexes à travers un grand volume d'espace est un problème de calcul.
Deepinminiscope résout ces problèmes avec une nouvelle conception de masque contenant plus de 100 objectifs à haute résolution miniaturisés. Un nouveau réseau neuronal combine des images de chaque lentille pour reconstruire des images en 3D.
Informations profondes (apprentissage)
Le réseau neuronal de Deepinminiscope combine différentes approches de l'apprentissage automatique afin de créer un réseau neuronal déroulé, ce qui permet une reconstruction instantanée, précise et haute résolution de détails fins à travers un grand volume 3D. En utilisant cet outil, Yang et son équipe de recherche ont enregistré l'activité neuronale d'une souris en temps réel.
« Notre algorithme combine l'interprétabilité, l'efficacité, l'évolutivité et la précision », a déclaré Feng Tian, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Yang et premier auteur sur l'article correspondant. « Cela ne nécessite qu'une quantité minimale de données de formation, mais il peut traiter de manière robuste et précisément des ensembles de données à grande échelle à grande vitesse. »
Tour de chapeau
En rendant son microscope petit et ergonomique suffisamment pour une souris pour porter confortablement et en toute sécurité lorsqu'il se déplace librement, Yang vise à permettre aux neuroscientifiques d'étudier le comportement en temps réel.
À seulement 3 centimètres carrés, à la taille d'un raisin et autour du poids de quatre centimes à 10 grammes, Deepinminiscope est presque là.
Lorsque plus tôt, des conceptions similaires étaient limitées par la grande empreinte d'une caméra traditionnelle, Deepinminiscope utilise un capteur aussi compact comme un circuit imprimé nu avec un capteur d'image, plutôt qu'un système autonome et fermé.
L'objectif ultime de Yang est un dispositif de 2 centimètres carré, qu'il compare à la taille d'un chapeau pour une souris. De plus, pour la prochaine itération, Yang veut rendre l'appareil sans fil.
« En permettant à l'observation en temps réel de l'activité cérébrale chez des souris qui se comportent librement, cette technologie fait non seulement progresser notre compréhension fondamentale de la façon dont le cerveau traite les informations et stimule le comportement, mais contribue également à améliorer notre compréhension des troubles cérébraux et au développement de stratégies thérapeutiques futures chez l'homme. »
