Draadloze microscoop van één gram volgt duizenden hersencellen van vrij rondlopende muizen
Chinese onderzoekers bouwden een microscoopje van één gram dat een muis op zijn kop draagt. Zonder kabels filmt het de activiteit van ruim 8.500 hersencellen tegelijk, terwijl de muis rondloopt, zwemt en met andere muizen omgaat.
Wie wil begrijpen hoe de hersenen werken, wil het liefst zien wat hersencellen doen terwijl een dier zich gewoon gedraagt. Dat is lastig. De beste microscopen zijn groot en zwaar, dus het dier moet stil liggen met zijn hoofd vast. Kleine microscoopjes die een muis op zijn kop kan dragen bestaan al, maar die zitten meestal aan een kabel of zien maar een klein stukje van de hersenen.
Onderzoekers van de Tsinghua-universiteit in Beijing hebben nu een microscoop gebouwd die beide problemen oplost. Hij heet Airscope, weegt ongeveer één gram, zo veel als een paperclip, en werkt zonder draden. Ze beschrijven hem op 19 oktober in het vakblad Nature, samen met onder meer de Fudan-universiteit en Princeton University.
Een groot deel van de hersenschors in één beeld
De microscoop kijkt door een venstertje in de schedel naar de bovenkant van de hersenschors. Dat is de buitenste laag van de hersenen, waar onder meer zien, voelen en bewegen worden verwerkt. Het beeld is 6 millimeter breed. Bij een muis is dat een groot deel van de bovenkant van de hersenen. Toch is het scherp genoeg om losse hersencellen te onderscheiden.
De hersencellen van de muizen zijn zo aangepast dat ze oplichten als ze actief zijn. De microscoop maakt 12,5 beelden per seconde en stuurt ze draadloos door. Zo zagen de onderzoekers per muis de activiteit van ruim 8.500 hersencellen tegelijk. Dankzij een slim lenzenontwerp is het apparaatje bijna drie keer zo kort als eerdere kleine microscopen, terwijl het volgens het team evenveel cellen ziet als grote microscopen op een labtafel.
Muizen die gewoon muis mogen zijn
Omdat er geen kabel is, konden de muizen vrij rondlopen in een ruime kooi van 2,3 bij 2,3 meter, zwemmen en met elkaar omgaan. De onderzoekers volgden zelfs vijf muizen tegelijk, samen goed voor ruim 21.000 hersencellen. Een AI-systeem herkende in de videobeelden wat elke muis deed, zonder dat het daar eerst speciaal voor getraind hoefde te worden.
Dat leverde mooie inzichten op. In de hersenschors zagen de onderzoekers activiteitspatronen die samenhingen met de rangorde tussen muizen. Uit de hersenactiviteit van twee muizen konden ze zelfs voorspellen welke van de twee een wedstrijdje zou winnen. Ook zagen ze patronen die verband hielden met de plek waar een beloning lag in een doolhof. En doordat het microscoopje ook op het ruggenmerg past, konden ze hersenen en ruggenmerg tegelijk volgen. Terwijl een muis leerde om ergens bang voor te zijn, leek het ruggenmerg de hersenschors aan te sturen, en niet alleen andersom.
Volgende stappen
Het onderzoek is gedaan bij muizen waarvan de hersencellen speciaal zijn aangepast om op te lichten. De microscoop ziet de bovenkant van de hersenschors, niet de diepere delen van de hersenen. Volgens de onderzoekers maakt Airscope dit soort metingen bij vrij bewegende dieren nu praktisch en voor veel laboratoria bereikbaar. Andere teams kunnen er zo onderzoek mee doen naar sociaal gedrag, leren en geheugen.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Hersenonderzoek en AI helpen elkaar al decennia vooruit. De eerste neurale netwerken waren losjes gebaseerd op hersencellen, en nu helpt AI om te begrijpen wat dieren doen terwijl hun hersenen worden gefilmd. Met duizenden cellen tegelijk bij vrij bewegende dieren ontstaan er enorme hoeveelheden gegevens. Juist AI kan daarin patronen vinden die mensen over het hoofd zien.
Wie beter begrijpt hoe echte hersenen leren, samenwerken en beslissingen nemen, kan daar ook nieuwe ideeën voor AI uit halen. Op langere termijn helpt die kennis bij hersenimplantaten en bij behandelingen van hersenziekten. Een microscoopje van één gram brengt dat allemaal een stukje dichterbij.
