Ультразвук и мыши помогут ученым из МГУ создать лекарство от депрессии

https://ria.ru/20190117/1549494821.html

Ультразвук и мыши помогут ученым из МГУ создать лекарство от депрессии

Ультразвук и мыши помогут ученым из МГУ создать лекарство от депрессии — РИА Новости, 17.01.2019

Ультразвук и мыши помогут ученым из МГУ создать лекарство от депрессии

Российские и зарубежные ученые научились вызывать стресс у мышей, используя ультразвуковой «белый шум». Это поможет раскрыть молекулярные корни развития… РИА Новости, 17.01.2019

2019-01-17T15:05

2019-01-17T15:05

2019-01-17T15:05

наука

мыши

депрессия

биология

нейрофизиология

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/152806/93/1528069379_0:0:4256:2394_1920x0_80_0_0_601415762df6794161ed70451eebade4.jpg

МОСКВА, 17 янв – РИА Новости. Российские и зарубежные ученые научились вызывать стресс у мышей, используя ультразвуковой «белый шум». Это поможет раскрыть молекулярные корни развития депрессии и создать лекарство от нее, говорится в статье, опубликованной в журнале PNBP.В последние годы нейрофизиологи начали активно интересоваться тем, как различные неприятности в жизни и прочие источники неприятных эмоций и ощущений влияют на работу мозга и его структуру. Как сегодня предполагают ученые, стресс не только ухудшает настроение человека, но и вносит существенные изменения в работу нейронов.К примеру, два года назад американские исследователи показали, экспериментируя на мышах, что постоянный стресс меняет структуру и повреждает нервные клетки в центре памяти, что ведет к развитию хронической депрессии. Сама депрессия, в свою очередь, делала грызунов еще более подверженными стрессу и усиливала его эффекты.Подобные открытия, как отмечают Павлов и его коллеги, заставили нейрофизиологов задуматься о том, можно ли предотвратить развитие депрессии, если найти клеточные и молекулярные механизмы, отвечающие за ее запуск, и «отключить» их. Эти поиски осложнены тем, что ученые пока не до конца понимают то, могут ли животные переживать полноценный эмоциональный стресс, не связанный с физическими стеснениями, болью и другими «реальными» проблемами, и как его можно вызвать.Российские биологи и их зарубежные коллеги сделали большой шаг в этом направлении, наблюдая за тем, как меняется поведение обычных лабораторных мышей при их облучении различными типами ультразвука.Грызуны, в отличие от человека, хорошо слышат подобные звуки и активно пользуются ими для общения друг с другом. Биологи предположили, что появление источников подобных шумов в их клетках могло сильно изменить поведение мышей и вызвать у них некое подобие стресса. Руководствуясь этой идеей, Павлов и его коллеги собрали несколько ультразвуковых динамиков и установили их в вольерах, где жило несколько десятков грызунов. Через несколько недель они сравнили поведение мышей из этих клеток с тем, как реагировали на сородичей и внешние раздражители особи из контрольной группы, жившие в тишине. Как оказалось, мыши начинали сильно раздражаться и впадать в депрессию в тех случаях, когда они постоянно слышали случайные наборы ультразвуков, своеобразный аналог «белого шума». В таких случаях в их организме резко падал уровень серотонина, одного из гормонов счастья, и происходили прочие изменения, связанные с развитием подавленного состояния.Помимо этого, биологи зафиксировали несколько интересных изменений в работе их организма, которые помогут им раскрыть природу депрессии.К примеру, их мозг содержал в себе необычно много молекул, способствующих развитию воспалений или связанных с травмами мозга. С другой стороны, численность клеток, отвечающих за формирование новых нейронов и связей между ними, наоборот, была понижена.Дальнейшее изучение всех этих изменений, как надеются исследователи, поможет им понять, что движет подобными перестройками при развитии депрессии и как их можно подавить медикаментозными средствами.

https://ria.ru/20180810/1526303254.html

https://ria.ru/20181220/1548319518. html

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2019

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/152806/93/1528069379_480:0:4256:2832_1920x0_80_0_0_fa2548c7b1f163b3a56e179f14d05f55.jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4. 7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

мыши, депрессия, биология, нейрофизиология

Наука, Мыши, депрессия, биология, нейрофизиология

МОСКВА, 17 янв – РИА Новости. Российские и зарубежные ученые научились вызывать стресс у мышей, используя ультразвуковой «белый шум». Это поможет раскрыть молекулярные корни развития депрессии и создать лекарство от нее, говорится в статье, опубликованной в журнале PNBP.

«Мы рассматривали ультразвуковой стресс грызунов как модель информационного стресса людей, проживающих в крупных городах и находящихся в состоянии хронической информационной неопределенности. Поскольку среди них все чаще регистрируются психоэмоциональные заболевания, это позволит нам оценить роль эмоционального стресса в аффективных расстройствах», — заявил Дмитрий Павлов, биолог из МГУ.

В последние годы нейрофизиологи начали активно интересоваться тем, как различные неприятности в жизни и прочие источники неприятных эмоций и ощущений влияют на работу мозга и его структуру. Как сегодня предполагают ученые, стресс не только ухудшает настроение человека, но и вносит существенные изменения в работу нейронов.

К примеру, два года назад американские исследователи показали, экспериментируя на мышах, что постоянный стресс меняет структуру и повреждает нервные клетки в центре памяти, что ведет к развитию хронической депрессии. Сама депрессия, в свою очередь, делала грызунов еще более подверженными стрессу и усиливала его эффекты.

Подобные открытия, как отмечают Павлов и его коллеги, заставили нейрофизиологов задуматься о том, можно ли предотвратить развитие депрессии, если найти клеточные и молекулярные механизмы, отвечающие за ее запуск, и «отключить» их.

10 августа 2018, 11:29Наука

Нейрофизиологи открыли центр пессимизма в мозге человека

Эти поиски осложнены тем, что ученые пока не до конца понимают то, могут ли животные переживать полноценный эмоциональный стресс, не связанный с физическими стеснениями, болью и другими «реальными» проблемами, и как его можно вызвать.

Российские биологи и их зарубежные коллеги сделали большой шаг в этом направлении, наблюдая за тем, как меняется поведение обычных лабораторных мышей при их облучении различными типами ультразвука.

Грызуны, в отличие от человека, хорошо слышат подобные звуки и активно пользуются ими для общения друг с другом. Биологи предположили, что появление источников подобных шумов в их клетках могло сильно изменить поведение мышей и вызвать у них некое подобие стресса.

Руководствуясь этой идеей, Павлов и его коллеги собрали несколько ультразвуковых динамиков и установили их в вольерах, где жило несколько десятков грызунов. Через несколько недель они сравнили поведение мышей из этих клеток с тем, как реагировали на сородичей и внешние раздражители особи из контрольной группы, жившие в тишине.

Как оказалось, мыши начинали сильно раздражаться и впадать в депрессию в тех случаях, когда они постоянно слышали случайные наборы ультразвуков, своеобразный аналог «белого шума». В таких случаях в их организме резко падал уровень серотонина, одного из гормонов счастья, и происходили прочие изменения, связанные с развитием подавленного состояния.

20 декабря 2018, 13:28Наука

Российские ученые раскрыли необычную связь между депрессией и стрессом

Помимо этого, биологи зафиксировали несколько интересных изменений в работе их организма, которые помогут им раскрыть природу депрессии.

К примеру, их мозг содержал в себе необычно много молекул, способствующих развитию воспалений или связанных с травмами мозга. С другой стороны, численность клеток, отвечающих за формирование новых нейронов и связей между ними, наоборот, была понижена.

Дальнейшее изучение всех этих изменений, как надеются исследователи, поможет им понять, что движет подобными перестройками при развитии депрессии и как их можно подавить медикаментозными средствами.

механизм генерации ультразвуковых щелчков у ночных мотыльков как защита от летучих мышей / Хабр

Большие клыки, сильные челюсти, скорость, невероятное зрение и еще многое другое это особенности, которыми пользуются хищники всех пород и мастей в процессе охоты. Добыча в свою очередь также не желает сидеть сложа лапки (крылья, копыта, ласты и т.д.) и придумывает все новые и новые способы избежать нежелательного близкого контакта с пищеварительной системой хищника. Кто-то становится мастером камуфляжа, кто-то обмазывается ядом, а кто-то швыряет в лицо обидчику свои внутренности (привет морским огурцам). Но есть и те, чей защитный механизм не виден и даже не слышен для нас. Мотыльки — излюбленное блюдо летучих мышей. Много миллионов лет и те и другие шлифовали свои навыки владения ультразвуком. Мыши используют его для поиска жертв, а мотыльки — для обнаружения хищника. Но «предупрежден значит вооружен» не достаточно для мотыльков, потому они выработали способность создавать «радиопомехи», нарушающие ультразвуковое «зрение» летучих мышей. Как они это делают, учитывая их 100% глухоту, и насколько это эффективно помогает им избежать гибели? Будем искать ответы в докладе исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

Когда охотишься ночью, нужно иметь либо очень хорошее зрение, либо острый нюх, либо отличный слух. Летучие мыши выбрали последнее, в каком-то смысле. Использование эхолокации очень выгодно для летучих мышей. Во-первых, охота в ночное время суток ограничивает число потенциальных опасностей и конкуренции в поисках пищи. Во-вторых, ночью очень много насекомых, то есть шансы покушать после 18:00 значительно выше.

Летучие мыши производят ультразвук разного частотного диапазона в зависимости от вида. При этом даже у одного вида частота меняется с течением времени: в начале 130-150 кГц, а потом 30-40 кГц.

Во время охоты летучие мыши «испускают» ультразвуковые волны, которые «врезаются» в окружающие ее объекты, в том числе и возможную добычу. Отраженные же волны улавливаются летучей мышью и она может маневрировать среди препятствий или же точно сфокусировать атаку на добыче.

Когда эволюция раздавала таланты, мотыльки тоже не стояли в стороне. Они способны вырабатывать ультразвуковые помехи или же ложные сигналы, убеждающие летучую мышь в их несъедобности. Некоторые виды мотыльков используют стридуляцию. Этот необычный термин пояснить очень просто: помните как сверчки летом «поют»? Вот это и есть стридуляция. Другим же ярким, точнее звонким мастером этого таланта, являются цикады.

Альтернативным источником звуков у мотыльков могут быть ударные «кастаньеты» — модифицированные генитальные структуры (да, ученые назвали гениталии, вырабатывающие звук, кастаньетами; а вы думали люди науки лишены креативности?).

Однако большинство видов мотыльков используют тимбалы (не путать с цимбалами) — специальные кутикульные образования на поверхности тела с воздушной «подушкой» под низом.

В рассматриваемом сегодня исследовании ученые уделили внимание роду мотыльков Yponomeuta, в котором большинство видов (а их около сотни) имеют в своем арсенале необычное образование — полупрозрачный участок на крыльях без чешуек между венами Cu_1b
и Cu₂. Ученые обнаружили, что к этому участку прилегает ряд гребней, что может говорить о причастности данной области к звукообразованию посредством стридуляции (возможно).

На изображении слева (А) белым обведена область полупрозрачного образования, а на изображении справа (В) РЭМ снимки этой же области.

Ученые поставили перед собой задачу ответить на ряд вопросов: данный полупрозрачный участок производит звук или нет, каковы его акустические свойства (если производит все таки) и как эти звуки применяются мотыльком в его жизни.

Главными же испытуемыми, которые должны были помочь найти ответы на вышепоставленные вопросы, стали особи двух видов мотыльков — Y. evonymella и Y. cagnagella.

Найдите 10 отличий: Y. evonymella (слева) и Y. cagnagella (справа).

Испытуемые были взяты из дикой природы еще на стадии личинок. Образовавшиеся куколки содержались в специальных контейнерах 297 х 159 х 102 мм при температуре 21 °C.

Результаты наблюдений

Ученые сделали запись свободных и фиксированных полетов испытуемых: 15 свободных и 2 фиксированных полета Y. evonymella; 9 фиксированных полетов Y. cagnagella. Во время полетов мотыльки производили одинаковые ультразвуковые щелчки во время каждого взмаха крыльев (графики ниже).

Спектрограмма ультразвуковых щелчков во время одного взмаха крыльями мотылька.

На спектрограмме выше видны разноцветные участки. Первые (красные) это частотный диапазон звуков, продуцируемых мотыльками подсемейства Arctiinae против летучих мышей. А вторые (синие) это слуховой диапазон летучих мышей вида Eptesicus fuscus.

Всего ультразвуковых импульсов во время взмаха было зафиксировано два: один в начале взмаха и второй в конце взмаха. Именно во время первого импульса частота щелчков была больше. Число щелчков на один импульс, если судить по наблюдениям, совпадает с числом полос на полупрозрачном участке. У Y. evonymella среднее значение щелчков на 1 ультразвуковой импульс равно 12.6 ± 1.7, а полос на полупрозрачном участке у них 11 (обратите внимание на нумерацию на РЭМ снимке крыла).

Далее ученые удалили тимбалы (область 260 х 800 мкм) у 12 особей Y. evonymella и записали звуки во время их полета до и после удаления. Также было подсчитано число щелчков за период в 100 мс, что является эквивалентом примерно 3 взмахов крыла.

Семь особей после удаления не производили щелчков, восемь — лишь 1 щелчок, а четверо производили щелчки, но в меньшем количестве и с более низкой амплитудой. Как выяснилось у этой четверки области тимбалов (полупрозрачные участки) были удалены не полностью, посему их исключили из дальнейшего анализа.

Опытным путем ученые подтвердили, что мотыльки обоих испытуемых видов производят звуки. Теперь их решили проверить на слух (20 особей вида Y. evonymella и 4 особи Y. cagnagella).

Ученые воспроизводили ультразвук, пока испытуемые свободно летали в тестовом помещении. Ни одна особь не отреагировала на это. Эксперимент повторили, но разделив особей по видам в отдельные контейнеры, где они находились в состоянии покоя. И опять же никто даже не шелохнулся.

При этом, поместив 10 особей Y. evonymella в одну камеру для полетов, ученые увидели реакцию испытуемых друг на друга. И она была такой же, как и в предыдущих тестах, то есть никакой.

А что же со стридуляцией? Ученые проверили есть ли признаки трения каких-либо частей тела для производства звуков у испытуемых мотыльков. И как оказалось, таковых нет. Обратите внимание на движения крыльев мотылька во время контролируемого полета на видео ниже.

На данном видео мы можем видеть какие происходят изменения в положении крыльев и их частей во время взмаха.

С исследуемым полупрозрачным участком не было замечено трения других участков тела мотылька в любой из моментов взмаха. Но щелчки же как-то появляются. И происходит это посредством вращения заднего крыла вдоль своей оси от основания до кончика во время верхней и нижней фаз взмаха крыльями.

Детальное рассмотрение этого процесса показало, что во время супинации (вращательное движение конечностью) в начале взмаха анальный и югальный отделы крыла складываются вниз относительно его передней части вдоль клавальной борозды.

Полет мотылька, вид сбоку.

Этот процесс протекает от вершины до основания крыла, таким образом полупрозрачная область также задействуется. Во время этого и возникают ультразвуковые щелчки.

В таблице выше показаны результаты анализа десяти щелчков, зафиксированных в поперечном направлении (90°) у всех испытуемых (14 Y. evonymella и 9 Y. cagnagella). Были установлены спектральные параметры, продолжительность и амплитуда щелчков.

Помимо этого был проведен анализ и щелчков (по 5 на каждого из 8 особей) горизонтальной направленности (0 °, 45 °, 90 ° и 180 °).

Среднее значение уровня звуков восьми испытуемых Y. evonymella, зафиксированных с четырех направлений: 0 ° — микрофон спереди от мотылька, 45 ° — спереди сбоку, 90 ° — сбоку, 180 ° — сзади.

Особых отличий не было выявлено: 0° и 45°, Z = 0,3, p = 1,0; 0° и 180°, Z = -2,3, p = 0,13; 45° и 180°, Z = -2,4, р = 0,11.

Также ученые рассчитали на каком расстоянии летучие мыши будут слышать щелчки мотыльков в зависимости от положения.

Результаты следующие: 6.0 ± 0.4 м при 0°, 6.5 ± 0.4 м при 45°, 7.9 ± 0.7 м при 90° и 5.6 ± 0.4 м при 180°. Эти показатели отображены в виде диаграммы выше (В).

А вот на графике А мы видим амплитуду отраженного звука, которая варьируется в диапазоне −35 … −43 дБ при частотах в диапазоне 20…160 кГц.

Тут можно послушать аудиозапись звуков мотылька.

Для более детального ознакомления с исследованием настоятельно рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Эволюция может быть беспринципной, беспощадной, странной и даже ироничной, как показывает пример исследуемых мотыльков. Будучи абсолютно лишенными слуха, эти создания не лишены «голоса». Используя полупрозрачные участки на крыльях во время взмахов, мотыльки выдают ультразвуковые щелчки, которые сбивают с толку жаждущих ими полакомиться летучих мышей.

Такое необычное приспособление это факт, но он породит еще немало дебатов на тему того, как оно образовалось, какие эволюционные изменения прошли мотыльки для развития подобного механизма, и с чего все начиналось.

Мы лишний раз получили подтверждение, что мир полон удивительных созданий, которые не перестают удивлять своими талантами, о которых мы и не догадывались.

И, конечно же, пятницы оффтоп:

Тут у всех, кто страдает моттефобией (боится мотыльков), наверное сердце остановилось от ужаса.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до весны бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Функциональное ультразвуковое исследование всего мозга бодрствующих мышей с фиксированной головой

• Протокол
• Опубликовано: 04 июня 2021 г.

• Клеман Бруннер ORCID: orcid.org/0000-0002-2567-4832 ^{1,2,3,4 na1} ,
• Мишлин Гриле ORCID: orcid.org/0000-0001-8992-3255 ^{1,2,3,4 na1} ,
• Алан Урбан ^1,2,3,4 ,
• Ботонд Роска ORCID: orcid. org/0000-0002-9559-1450 ^5,6,7 ,
• Габриэль Монтальдо ^{1,2,3,4 na2} &
• …
Эмиль Маке ORCID: orcid.org/0000-0003-0096-8436 ^{8  na2}  

Природные протоколы том 16 , страницы 3547–3571 (2021)Цитировать эту статью

• 4346 доступов

• 12 цитирований

• 31 Альтметрический

• Сведения о показателях

Испытуемые

• Нейронные схемы
• Неврологические модели
• Сенсорная обработка
• Ультразвук

Abstract

Большинство функций мозга связаны с сетью распределенных областей. Таким образом, полное исследование этих функций требует оценки всего мозга; тем не менее, функциональная визуализация всего мозга животных, ведущих себя, остается сложной задачей. В этом протоколе описывается, как следить за активностью всего мозга у бодрствующих мышей с фиксированной головой, используя функциональную ультразвуковую визуализацию, метод, который отслеживает динамику объема мозговой крови. Мы описываем, как настроить функциональную систему ультразвуковой визуализации с предоставленным программным обеспечением для сбора данных (miniScan), установить хроническое окно черепа (время операции: ~ 3–4 часа) и визуализировать активность всего мозга, связанную со стимулом, с высоким разрешением (100 мкс). × 110 × 300 мкм и 10 Гц на срез мозга, что занимает ~ 45 минут на сеанс визуализации). Мы включаем коды, которые позволяют регистрировать данные в справочном атласе, создавать трехмерные карты активности, извлекать следы активности ~ 250 областей мозга и, наконец, объединять данные из нескольких сеансов (средний анализ времени ~ 2 часа). Этот протокол позволяет нейробиологам наблюдать за глобальными мозговыми процессами у мышей.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Соответствующие статьи

Статьи открытого доступа со ссылками на эту статью.

• Ультразвуковая локализационная микроскопия и функциональная ультразвуковая визуализация выявляют атипичные особенности сосудистой сети тройничного ганглия.

  • Аннабель Рео-ле-Гоазиго
  • , Бенуа Белиар
  •  … Софи Пезе

  Биология коммуникаций Открытый доступ 07 апреля 2022 г.

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

99,00 €

всего 8,25 € за выпуск

Подписаться

Расчет налога будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

32,00 $

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Рис. 1: Блок-схема процедуры. Рис. 2: Хирургическая процедура для хронической визуализации всего мозга бодрствующих мышей с фиксированной головой. Рис. 3: ФУЗ всего мозга в режиме реального времени для вызванной стимулом активности. Рис. 4: Регистрация и обработка данных ФУЗИ всего мозга. Рис. 5. Стабильность данных и подавление артефактов движения. Рис. 6: Пример обработанных данных ФУЗИ всего мозга.

Доступность данных

Пример набора данных доступен на Zenodo ⁴⁵ и может быть загружен по адресу https://doi.org/10.5281/zenodo.4382638.

Доступность кода

Все коды, используемые для сбора и анализа данных, упомянутые в этом протоколе, предоставляются в качестве дополнительного программного обеспечения. Копия также доступна в репозитории GitHub/Zenodo вместе с потенциальными обновлениями 9.0012 44 , и его можно загрузить по адресу https://github.com/nerf-common/whole-brain-fUS.

Ссылки

1. Луо Л., Каллауэй Э.М. и Свобода К. Генетическое рассечение нейронных цепей. Нейрон 57 , 634–660 (2008).

   Артикул КАС Google ученый

2. «>

   Лернер, Т. Н., Йе, Л. и Дейссерот, К. Коммуникация в нейронных цепях: инструменты, возможности и проблемы. Cell 164 , 1136–1150 (2016).

   Артикул КАС Google ученый

3. Hong, G. & Lieber, C.M. Новые электродные технологии для нейронных записей. Нац. Преподобный Нейроски. 20 , 330–345 (2019).

   Артикул КАС Google ученый

4. Мейс, Э. и др. Функциональное УЗИ головного мозга. Нац. Методы 8 , 662–664 (2011).

   Артикул КАС Google ученый

5. Мейс, Э. и др. Функциональная эхография головного мозга: теория и основные принципы. IEEE Trans. Ультрасон. Ферроэлектр. Частота Контроль 60 , 492–506 (2013).

   Артикул Google ученый

6. «>

   Масе, Э. и другие. Функциональная ультразвуковая визуализация всего мозга выявляет модули мозга для зрительно-моторной интеграции. Нейрон 100 , 1241–1251.e7 (2018).

   Артикул Google ученый

7. Урбан, А. и др. Хроническая оценка церебральной гемодинамики во время электростимуляции передней лапы крысы с помощью функциональной ультразвуковой визуализации. Нейроизображение 101 , 138–149 (2014).

   Артикул Google ученый

8. Урбан А. и др. Визуализация мозговой активности свободно движущихся крыс в режиме реального времени с использованием функционального ультразвука. Нац. Методы 12 , 873–878 (2015).

   Артикул КАС Google ученый

9. Бруннер, К. и др. Доказательства функциональной ультразвуковой визуализации усиленного микрососудистого ответа контралатерального очага на соматосенсорную стимуляцию при острой окклюзии/реперфузии средней мозговой артерии у крыс: маркер ультраранней реорганизации сети? Дж. Цереб. Кровоток Метаб. 38 , 1690–1700 (2018).

   Артикул Google ученый

10. Бруннер, К. и др. Картирование динамики перфузии головного мозга с помощью функционального ультразвука на крысиной модели преходящей окклюзии средней мозговой артерии. Дж. Цереб. Кровоток Метаб. 37 , 263–276 (2017).

    Артикул КАС Google ученый

11. Рау, Р. и др. Трехмерное функциональное ультразвуковое исследование голубей. Нейроизображение 183 , 469–477 (2018).

    Артикул Google ученый

12. Демене, К. и др. Мультипараметрическая функциональная ультразвуковая визуализация церебральной гемодинамики в модели сердечно-легочной реанимации. науч. Отчет https://doi.org/10.1038/s41598-018-34307-9 (2018 г.).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

13. «>

    Bimbard, C. et al. Многомасштабное картирование вдоль слуховой иерархии с использованием функционального ультразвука высокого разрешения у бодрствующего хорька. eLife https://doi.org/10.7554/eLife.35028 (2018 г.).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

14. Дизё, А. и др. Функциональная ультразвуковая визуализация головного мозга выявляет распространение активности мозга, связанной с заданием, у ведущих поведение приматов. Нац. коммун. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09349-ж (2019).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

15. Blaize, K. et al. Функциональная ультразвуковая визуализация глубокой зрительной коры бодрствующих нечеловеческих приматов. Проц. Натл акад. науч. США https://doi.org/10.1073/pnas.1916787117 (2020).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

16. «>

    Имбо, М., Шове, Д., Генниссон, Ж.-Л., Капель, Л. и Тантер, М. Интраоперационная функциональная ультразвуковая визуализация активности головного мозга человека. Науч. Респ. 7 , 7304 (2017).

    Артикул Google ученый

17. Солоуки, С. и др. Функциональное ультразвуковое исследование (ФУЗИ) во время операции на головном мозге в сознании: клинический потенциал интраоперационного функционального и сосудистого картирования головного мозга. Перед. Нейроски . https://doi.org/10.3389/fnins.2019.01384 (2020 г.).

18. Демене, К. и др. Функциональная ультразвуковая визуализация активности головного мозга у новорожденных. Науч. Перевод Мед. 9 , eaah6756 (2017).

    Артикул Google ученый

19. Сью, Л.-А. и другие. ЭЭГ и функциональное ультразвуковое исследование у подвижных крыс. Нац. Методы 12 , 831–834 (2015).

    Артикул КАС Google ученый

20. Rabut, C. et al. Четырехмерная функциональная ультразвуковая визуализация активности всего мозга у грызунов. Нац. Методы 16 , 994–997 (2019).

    Артикул КАС Google ученый

21. Бруннер, К. и др. Платформа для объемной функциональной ультразвуковой визуализации всего мозга и анализа динамики контуров у бодрствующих мышей. Нейрон https://doi.org/10.1016/j.neuron.2020.09.020 (2020).

    Артикул пабмед Google ученый

22. Рахал, Л. и др. Сверхбыстрый анализ картины ультразвукового изображения выявляет отличительные динамические состояния мозга и мощные изменения подсети у животных с артритом. Науч. Респ. 10 , 10485 (2020).

    Артикул КАС Google ученый

23. Сан-Дублан, А. и др. Оптогенетический fUSI для картирования нейронной активности в масштабах всего мозга, опосредующей колликулярно-зависимое поведение. Нейрон https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.04.008 (2021).

24. Heo, C. et al. Мягкое, прозрачное, свободно доступное черепное окно для хронической визуализации и электрофизиологии. Науч. Реп . https://doi.org/10.1038/srep27818 (2016 г.).

25. Ганбари Л. и др. Нервное взаимодействие на уровне всей коры головного мозга через прозрачные полимерные черепа. Нац. Коммуна . https://doi.org/10.1038/s41467-019-09488-0 (2019 г.).

26. Rynes, M.L. et al. Сборка и эксплуатация робота с числовым программным управлением (ЧПУ) с открытым исходным кодом для выполнения краниальных микрохирургических процедур. Нац. протокол 15 , 1992–2023 (2020).

    Артикул КАС Google ученый

27. Килич, К. и др. Хроническая визуализация мозга мыши: от оптических систем до функционального ультразвука. Курс. протокол Неврологи. https://doi.org/10.1002/cpns.98 (2020 г.).

    Артикул пабмед Google ученый

28. Бойдо, Д. и др. Мезоскопические и микроскопические изображения сенсорных реакций у одного и того же животного. Нац. коммун. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09082-4 (2019).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

29. Айдын А.К. и др. Передаточные функции, связывающие нервный кальций с функциональным ультразвуковым сигналом с одним вокселем. Нац. коммун. https://doi.org/10.1038/s41467-020-16774-9 (2020).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

30. Фонсека, М.С., Бергоми, М.Г., Майнен, З.Ф. и Шемеш, Н. Функциональная МРТ крупномасштабной активности у мышей с поведением. Препринт в bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.04.16.044941 (2020).

31. Динь, Т. Н. А., Юнг, В. Б., Шим, Х.-Дж. и Ким, С.-Г. Характеристики ответов фМРТ на зрительную стимуляцию у наркотизированных и бодрствующих мышей. Нейроизображение https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2020.117542 (2021).

32. Вайзенбургер, С. и Вазири, А. Руководство по новым технологиям крупномасштабной оптической визуализации активности нейронов всего мозга. год. Преподобный Нейроски. 41 , 431–452 (2018).

    Артикул КАС Google ученый

33. Jun, J.J. et al. Полностью интегрированные кремниевые зонды для записи нейронной активности с высокой плотностью. Природа 551 , 232–236 (2017).

    Артикул КАС Google ученый

34. Стейнмец, Н. А., Затка-Хаас, П., Карандини, М. и Харрис, К. Д. Распределенное кодирование выбора, действия и взаимодействия в мозгу мыши. Природа 576 , 266–273 (2019).

    Артикул КАС Google ученый

35. Сыч Ю., Чернышева М., Сумановски Л. Т. и Хельмхен Ф. Многоволоконная фотометрия высокой плотности для изучения крупномасштабной динамики мозговых цепей. Нац. Методы 16 , 553–560 (2019).

    Артикул КАС Google ученый

36. Лейк, Э. М. Р. и др. Одновременная флуоресцентная визуализация Ca2+ всей коры головного мозга и фМРТ всего мозга. Нац. Методы 17 , 1262–1271 (2020).

    Артикул КАС Google ученый

37. «>

    Gottschalk, S. et al. Быстрая объемная оптоакустическая визуализация динамики нейронов в мозге мыши. Нац. Биомед. англ. 3 , 392–401 (2019).

    Артикул КАС Google ученый

38. Демене, К. и др. Пространственно-временная фильтрация сверхбыстрых ультразвуковых данных значительно повышает чувствительность доплеровского и ультразвукового сканирования. IEEE Trans. Мед. Imaging 34 , 2271–2285 (2015).

    Артикул Google ученый

39. Goldey, G.J. et al. Съемные черепные окна для долгосрочной визуализации бодрствующих мышей. Нац. протокол 9 , 2515–2538 (2014).

    Артикул КАС Google ученый

40. Hillman, E. M. C. Механизм связи и значение сигнала BOLD: отчет о состоянии. год. Преподобный Нейроски. https://doi.org/10.1146/annurev-neuro-071013-014111 (2014).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

41. Avants, B.B. et al. Воспроизводимая оценка показателей сходства ANT при регистрации изображений мозга. Нейроизображение https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2010.09.025 (2011).

    Артикул пабмед Google ученый

42. Палласт, Н. и др. Конвейер обработки для анализа данных изображений структурной и функциональной МРТ головного мозга мыши на основе атласа (AIDAmri). Перед. Нейроинформ. https://doi.org/10.3389/fnif.2019.00042 (2019).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

43. Wang, Q. et al. Система общих координат мозга Аллена Мауса: трехмерный справочный атлас. Cell https://doi. org/10.1016/j.cell.2020.04.007 (2020).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

44. ClemBrunner & nerf-common. nerf-common/whole-brain-fUS: весь мозг-fUS v1.0. Зенодо https://doi.org/10.5281/zenodo.4585348 (2021).

45. Мейс, Э. и Монтальдо, Г. Карты визуально вызванной активности всего мозга у бодрствующих мышей с фиксированной головой. Зенодо https://doi.org/10.5281/ZENODO.4382638 (2020).

46. Friston, K.J. et al. Статистические параметрические карты в функциональной визуализации: общий линейный подход. Гул. Карта мозга. 2 , 189–210 (1994).

    Артикул Google ученый

47. Гувейя, К. и Херст, Дж. Л. Оптимизация надежности работы мыши в поведенческом тестировании: основная роль неаверсивного обращения. науч. Отчет https://doi. org/10.1038/srep44999 (2017 г.).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

48. Херст, Дж. Л. и Уэст, Р. С. Укрощение тревоги у лабораторных мышей. Нац. Методы 7 , 825–826 (2010).

    Артикул КАС Google ученый

49. Guo, Z.V. et al. Процедуры поведенческих экспериментов на мышах с фиксированной головой. PLoS ONE 9 , e88678 (2014).

    Артикул Google ученый

50. Musall, S., Kaufman, M.T., Juavinett, A.L., Gluf, S. & Churchland, A.K. В нейронной динамике с одним испытанием преобладают разнообразные движения. Нац. Неврологи. 22 , 1677–1686 (2019).

    Артикул КАС Google ученый

51. Стрингер, К. и др. Спонтанное поведение стимулирует многомерную активность всего мозга. Science 364 , eaav7893 (2019).

    Артикул КАС Google ученый

Ссылки на скачивание

Благодарности

Мы признательны G.M. и Австралия: Фонд Leducq (15CVD02), FWO (MEDI-RESCU2-AKUL/17/049, G091719N и 1197818N), VIB TechWatch (fUSI-MICE), внутренний фонд NERF TechDev (проект 3D-fUSI). Мы подтверждаем следующий грант компании EM: Human Frontier Science Program Postdoctoral Fellowship (LT000769/ 2015) и поддержку этой работы Обществом Макса Планка. Мы признательны B.R. за следующие гранты: гранты Швейцарского национального научного фонда (3100330B_163457), грант Национального центра компетенций в области разработки молекулярных систем, Европейский исследовательский совет (669157, RETMUS) и DARPA (HR0011-17-C-0038, Cortical Зрение). Мы благодарим М. Крумина за помощь в разработке держателя мыши, Д. Киля за помощь в разработке подголовника и держателя мыши, Т. Ламберта за помощь в разработке программного обеспечения PsychoPi, а также А. Савойя и Дж. Тантивита за техническую поддержку. помощь в начале проекта. Мы также благодарим специалистов NERF по уходу за животными И. Эйкманса, Ф. Оомса и С. Луйтена за помощь в уходе за мышами.

Информация об авторе

Примечания автора

1. Эти авторы внесли равный вклад: Clément Brunner, Micheline Grillet.

2. Эти авторы совместно руководили этой работой: Габриэль Монтальдо, Эмили Масе.

Авторы и филиалы

1. Neuro-Electronics Research Flanders, Leuven, Belgium

   Clément Brunner, Micheline Grillet, Alan Urban и Gabriel Montaldo

   9004
, Бельгия, 9004

51

Clément Brunner, Micheline Grillet, Alan Urban & Gabriel Montaldo

2. IMEC, Leuven, Belgium

   Clément Brunner, Micheline Grilete, Alan Urban & Gabriel Montaldo

9005

4444444444444444444 гг.

Клеман Бруннер, Мишелин Гриле, Алан Урбан и Габриэль Монтальдо

3. Базельский институт молекулярной и клинической офтальмологии, Базель, Швейцария

   Ботонд Роска

4. Университет Базеля, Базель, Швейцария

   Ботонд Roska

5. NCCR Molecular Systems Engineering, Basel, Switzerland

   Botond Roska

6. Circuits For Profeer Lab , Германия

   Emilie Macé

Авторы

1. Clément Brunner

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

2. Micheline Grillet

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

3. Alan Urban

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

4. Botond Roska

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

5. Габриэль Монтальдо

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

6. Emilie Macé

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Contributions

E. M., B.R., G.M. и А.У. разработал проект. Э.М., Г.М. и А.У. спроектировала, собрала и испытала систему ФУС. Э.М., К.Б., М.Г. и Г.М. проводили опыты. Э.М. и Г.М. разработал и провел анализ данных. Г.М. разработал программное обеспечение, прилагаемое к рукописи. К.Б., Э.М., М.Г., Г.М., Б.Р. и А.У. написал рукопись.

Авторы переписки

Переписка с Габриэль Монтальдо или Эмили Масе.

Декларации этики

Конкурирующие интересы

A.U. является основателем и акционером компании AUTC, занимающейся коммерциализацией решений нейровизуализации для доклинических и клинических исследований.

Дополнительная информация

Информация о рецензировании Nature Protocols благодарит Anne Churchland, Pablo Blinder, Yves Boubenec и других анонимных рецензентов за их вклад в рецензирование этой работы.

Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Связанные ссылки

Основные ссылки, демонстрирующие разработку и использование протокола

Масе, Э. и другие. Neuron 100 , 1241–1251.e7 (2018 г.): https://doi.org/10.1016/j.neuron.2018.11.031

Sans-Dublanc, A. et al. Нейрон (2021): https://doi.org/10.1016/j.neuron.2021.04.008

Дополнительная информация

Дополнительная таблица 1

структуры.

Дополнительное программное обеспечение 1

Папка с графическим интерфейсом сбора данных MiniScan и кодами анализа, которые можно протестировать на примере набора данных. Папка также содержит руководство, связанное с дополнительным программным обеспечением. Проверьте репозиторий GitHub на наличие возможных обновлений

Дополнительные данные 1

Файлы автоматизированного проектирования из нержавеющей стали, держателя мыши, держателя зонда и экспериментальной установки

Права и разрешения

Перепечатки и разрешения

Об этой статье

Эта статья цитируется по номеру

• Ультразвуковая локализационная микроскопия и функциональная ультразвуковая визуализация выявляют атипичные особенности сосудистой сети тройничного ганглия.

  
  • Аннабель Рео-ле-Гоазиго
  • Бенуа Белиар
  • Софи Пезе

  Биология коммуникаций (2022)

Комментарии

Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

Исследователи используют ультразвук для точной активации клеток мозга у мышей

САН-ДИЕГО. Что, если бы вы могли включать и выключать любой нейрон в мозгу, когда захотите и на какое время?

Исследователи говорят, что точный, целенаправленный контроль цепей мозга может быть ключом к лечению всего, от эпилепсии до болезни Паркинсона и депрессии. И они уже используют различные инструменты для достижения этой цели, от света до электричества и магнитов. Некоторые из этих подходов уже используются у пациентов.

Новое исследование, проведенное учеными из Института Солка, предполагает, что есть еще один способ стимулировать нейроны, который был бы менее инвазивным, чем современные методы, и достигал бы областей глубоко в мозге — ультразвук.

реклама

Исследователи обнаружили белок, который заставляет выращенные в лаборатории клетки, которые не реагируют на ультразвук, внезапно реагировать. Когда они сконструировали мышей для выработки того же белка в популяции нейронов, контролирующих движение, ученые обнаружили, что ультразвук вызывает всплески электрической активности в конечностях животных, а также несколько небольших толчков.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, является последним достижением в небольшой, но развивающейся области, известной как соногенетика. На данный момент исследователям еще многое предстоит сделать, прежде чем эти инструменты можно будет использовать на людях — от выяснения того, как доставить гены, кодирующие чувствительные к ультразвуку белки, до понимания того, как все это работает. Но они быстро учатся.

реклама

«Это очень интересный вклад и важный шаг», — сказал Михаил Шапиро из Калифорнийского технологического института, эксперт по соногенетике, не участвовавший в исследовании. «Это одна из статей, опубликованных за последние несколько лет, которая показывает, что существует реальная возможность использования ультразвука для непосредственной модуляции активности определенных нейронов».

Соногенетике предстоит многое наверстать по сравнению с другими, более устоявшимися областями. Например, исследователям давно известно, что клетки могут активироваться вспышками света, если они несут определенные светочувствительные белки. Этот метод известен как оптогенетика. Они использовали этот подход, чтобы заставить мышей останавливаться и сворачивать или даже галлюцинировать. А в мае 2021 года исследователи сообщили, что им удалось использовать оптогенетику, чтобы помочь слепому видеть.

Ученые также используют контролируемые электрические импульсы для стимуляции нейронов, в некоторых случаях путем имплантации электродов в мозг или с помощью магнитных полей. Последняя стратегия известна как транскраниальная магнитная стимуляция. С помощью этих подходов уже лечат пациентов с депрессией, болезнью Паркинсона, эпилепсией и другими расстройствами.

Но у них есть свои ограничения, говорит нейробиолог Шрикант Чаласани, старший автор недавнего исследования. Свет не может проходить очень далеко через ткани, что затрудняет использование оптогенетики, если вы не нацелены на нервные клетки в чистом органе (например, в глазу).

Электрическая стимуляция, хотя и эффективна для стимуляции более глубоких частей мозга, требует хирургических имплантатов. И хотя транскраниальная магнитная стимуляция не является инвазивной, магнитные поля быстро ослабевают по мере прохождения через мозг.

Введите ультразвук. Эти высокочастотные звуковые волны широко используются в медицине, чтобы заглянуть глубоко внутрь тела и сделать все, от разрушения камней в почках до выжигания опухолей и наблюдения за развивающимися плодами.

«Всем делают УЗИ; все оказывается в порядке», — сказал Чаласани. «Можем ли мы найти белок, который это чувствует?»

Ответ его команды в исследовании 2015 года был «да», основанный на экспериментах с Caenorhabditis elegans — крошечной прозрачной нематодой размером с кончик карандаша. Исследователи обнаружили, что воздействие на этих червей ультразвуком заставляло их отползать. Но черви с мутацией в определенном белке не реагировали, а это явный признак того, что молекула необходима для ответа.

В своем последнем исследовании команда Чаласани искала белок, который имел бы аналогичные эффекты в клетках млекопитающих. Исследователи потратили около полутора лет на тестирование почти 200 генов, кодирующих белки, которые, как известно, реагируют на давление, на наличие признаков того, что они также реагируют на 7-мегагерцовый всплеск ультразвука. Любые клетки, которые это сделали, загорелись бы зеленым под микроскопом.

Примерно через пять месяцев после начала этой работы исследователи так и не нашли ни одного многообещающего кандидата. Именно тогда Чаласани, находившийся в своем кабинете, однажды ночью услышал крики двух членов своей команды. Он подошел посмотреть, из-за чего вся эта суета, и тогда он это увидел.

«Это было не случайно, — сказал Чаласани о изображениях, сделанных под микроскопом. «Это было похоже на пылающее поле света».

Это поле света было результатом клеток, вырабатывающих TRPA1, белок, который, как полагают исследователи, обычно активируется химическими раздражителями и токсинами. Когда авторы заставили нейроны, выделенные от мышей, вырабатывать белок, эти клетки начали вырабатывать электрические сигналы в ответ на ультразвук.

Чтобы проверить, подтверждаются ли эти результаты на живых животных, ученые использовали линию мышей, которая продуцировала TRPA1 только в определенной группе кортикальных двигательных нейронов, клеток, которые контролируют произвольные движения мышц. Пульсирование этих мышей ультразвуком приводило к скачкам электрической активности в их конечностях и небольшим, но видимым движениям.

Команда Чаласани в настоящее время настраивает белок, чтобы получить более сильные реакции. И хотя включение нейронов полезно, говорит он, не менее важно иметь возможность выключать клетки с помощью ультразвука. Он считает, что его лаборатория, возможно, нашла белок, который делает именно это, молекулу, вырабатываемую плотоядным растением венериной мухоловкой, но потребуются тщательные последующие исследования, чтобы показать, правда ли это.

Тогда возникает вопрос, как доставить гены чувствительных к ультразвуку белков в определенные нейроны. В этом исследовании исследователи вводили мышам непосредственно в мозг вирус, который доставлял ген. Но это сводит на нет одно из главных преимуществ ультразвука — неинвазивное использование. Шапиро из Калифорнийского технологического института считает, что возможным обходным путем может быть использование ультразвука для временного ослабления гематоэнцефалического барьера, который может пропустить вирусные векторы, которые в противном случае не смогли бы достичь мозга.