211service.com
Hoe hersenwetenschappers hun laboratoriummuizen te slim af zijn
Wetenschappers kunnen nu de hersenen van proefdieren in microscopisch detail observeren terwijl de dieren een bepaalde actie uitvoeren. Met een techniek die twee-fotonbeeldvorming wordt genoemd, kunnen neurowetenschappers duizenden neuronen zien samenwerken om informatie te coderen.
Een muis is klaar om een virtual reality-systeem binnen te gaan waar zijn hersenen kunnen worden afgebeeld terwijl hij denkt dat hij door een doolhof rent.
Het probleem is dat voor beeldvorming met twee fotonen het hoofd van het dier op zijn plaats moet blijven. Dat lijkt het kijken naar de hersenen in de weg te staan, aangezien het dier iets van groot belang doet.
Een creatieve oplossing is virtual reality: een door een computer gegenereerde omgeving die wordt ervaren via een headset. Een paar jaar geleden begonnen neurowetenschappers kleine virtual reality-systemen te ontwerpen om muizen voor de gek te houden door te denken dat ze door een doolhof navigeerden terwijl ze in werkelijkheid op de top van een grote bal renden, hun hoofden op hun plaats.
Tot nu toe renden muizen echter pas op de bal nadat ze wekenlang hadden getraind. Nicholas Sofroniew, die met anderen op de HHMI Janelia Campus in Virginia werkte, creëerde een tastbaar virtueel doolhof dat de muizen meteen lijken te begrijpen: ze navigeren door virtuele gangen zonder training. Meer recentelijk heeft hij samengewerkt met Jeremy Freeman om de complexiteit van het systeem uit te breiden.
Het is ontworpen om gebruik te maken van de manier waarop muizen in de natuur navigeren, zegt Freeman. In plaats van voornamelijk op hun ogen te vertrouwen, zijn muizen sterk afhankelijk van hun snorharen om hun weg door de wereld te vinden.
In de op snorharen georiënteerde virtual reality bewegen de muren om de muis de illusie te geven dat hij door kronkelende gangen rent, zegt hij. Maar de hele tijd staat het hoofd van het knaagdier stil.
Een afbeelding met een hoge resolutie toont neuronen in actie terwijl de muis door het virtual reality-systeem navigeert.
Karel Svoboda, een senior onderzoeker van het project, zegt dat ze al hebben geleerd dat verschillende neuronen vuren afhankelijk van de afstand tussen het hoofd van de muis en de muur. De hersenen lijken de input van de snorharen te vertalen in een vorm die de muis kan gebruiken.
De beeldvormingstechniek, die Svoboda heeft helpen ontwikkelen, is gebaseerd op fluorescerende eiwitten uit kwallen. De onderzoekers veranderen de muizen genetisch zodat hun cellen dit fluorescerende eiwit maken in een vorm die wordt geactiveerd bij blootstelling aan calciumionen. Neuronen communiceren door calciumionen over te dragen, zodat de gelabelde neuronen oplichten samen met hersenactiviteit. Om te zien en vast te leggen wat er aan de hand is, vervangen de onderzoekers een stuk van de schedels van de dieren door een raampje.
Wetenschappers kunnen al lang naar afzonderlijke neuronen luisteren met behulp van elektroden, zegt Svoboda, maar dat is alsof je slechts één instrument kunt horen tijdens een symfonie. Nu, zegt hij, kunnen ze zien hoe informatie door de hersenen stroomt terwijl de muis leert omgaan met een nieuwe, zij het virtuele, omgeving.
Hoewel het hoofd van de muis niet beweegt, is hij bezig met wat Svoboda actieve sensatie noemt. We doen het wanneer we onze ogen bewegen om onze omgeving te verkennen. Muizen doen dat ook, en ze bewegen ook hun snorharen om op gevoel te verkennen. Het muizenbrein lijkt sets van neuronen te gebruiken om afstanden weer te geven, zegt hij.
Uiteindelijk hopen de onderzoekers te begrijpen hoe de hersenen informatie berekenen. Dat zou kunnen helpen om te ontdekken wat er gebeurt bij aandoeningen zoals autisme. We willen begrijpen hoe hersenen alles doen wat te maken heeft met voelen, leren en besluitvorming, zegt Freeman.
Wat ze echt zouden willen, is het mechanisme van leren begrijpen en de aard van intelligentie begrijpen. Dat is een moeilijk probleem, zegt hij, maar proberen de hersenen te begrijpen terwijl we meeslepende omgevingen verkennen, is een van onze beste foto's.