Китайские учёные разработали беспроводной микроскоп Airscope, который позволяет наблюдать за активностью нейронов мозга мышей с разрешением до одной клетки, пока животные свободно передвигаются. Устройство весит около одного грамма и крепится на голове мыши: речь идёт о носимом приборе, а не об импланте, вживляемом в мозг.

Airscope создала команда профессора Университета Цинхуа Дай Цюнхая совместно с другими исследователями. Результаты работы опубликованы в журнале Nature. Устройство оснащено двухмегапиксельным сенсором, сжимает данные непосредственно на борту и передаёт изображения по беспроводной сети. При поле зрения около шести миллиметров микроскоп обеспечивает разрешение в 4–6 микрометров.

Разработка помогает преодолеть ограничение, с которым сталкивались нейробиологи. Стационарные приборы способны получать изображения высокого разрешения, но требуют фиксации головы животного и ограничивают его движения. Лёгкие носимые датчики позволяют мышам свободно перемещаться, однако обычно охватывают участок мозга менее одного миллиметра. Airscope сочетает широкий обзор с компактностью и беспроводной передачей данных.

Испытания показали, что мыши с закреплённым на голове прибором могли лазать по канатам и пробираться через узкие трубы, не теряя скорости и манёвренности. По качеству сигналов система сопоставима со стационарными лабораторными аналогами. Вместе с разработанным исследователями алгоритмом извлечения данных Airscope позволяет одновременно отслеживать активность более 8 500 нейронов в 14 областях коры одного полушария — примерно в 25 раз больше, чем доступно существующим беспроводным системам. Наблюдения за одним и тем же участком мозга могут продолжаться более 200 дней.

Чтобы проверить прибор в условиях, приближённых к естественным, исследователи переселили мышей из клеток в просторный вольер площадью около пяти квадратных метров. В нём были укрытия, рампы и деревянные домики. В такой среде животные двигались вдвое быстрее, чем в стандартных условиях, и демонстрировали 16 типов сложного поведения, включая копание, лазание и социальные контакты. Учёные также наблюдали за тем, как мыши в течение длительного времени изучали лабиринт с 32 тупиками.

Анализ показал, что активность коры мозга менялась в зависимости от окружающей среды и поведения животного. Обученная модель глубокого обучения смогла с высокой точностью определять местоположение мыши в вольере, используя данные о нейронной активности.

Авторы считают, что Airscope позволит изучать, как разные области мозга координируют поведение в более естественных условиях. В перспективе технологию могут адаптировать и для других направлений науки, включая иммунологию и онкологию. Это может дать исследователям возможность непрерывно наблюдать за развитием заболеваний в живом организме. Устройство также рассматривают как потенциальную основу для дальнейшего развития оптических нейрокомпьютерных интерфейсов.