Mini2P – Hjerneutforskeren som skal erobre verden
Møt Mini2P, en liten hjerneutforsker som oppdager nye landskap i den levende og aktive hjernen.
– Drømmen vår var å finne et vindu inn i hjernen, som lot oss se hva som foregår der inne når vi tenker, planlegger, føler og husker, forteller May-Britt Moser, og tenker tilbake på samtalene hun og forskerkollega Edvard Moser hadde som unge psykologistudenter på tidlig nittitall.
– Vi mener at Mini2P er en gamechanger, og vi ønsker å dele den med hjerneforskere og laber over hele verden.
Musa Leif Erikson med Mini2P på hodet. Mini2P er et bærbart to-foton-mikroskop med åpen kildekode, utviklet ved Kavli-instituttet ved NTNU i Trondheim. Mini2P filmer samhandlinger mellom tusenvis av hjerneceller over flere plan samtidig som musa kan bevege seg helt fritt. Foto: Kavli Institute for Systems Neuroscience
I dag tar musa Leif Erikson det første steget i oppfyllelsen av den drømmen. Musa er utstyrt med et vindu i hodeskallen. Oppå vinduet fester forskerne 2.4 gram med ren teknologisk innovasjon som har fått navnet Mini2P.
Mini2P kan kanskje best beskrives som et bittelite bærbart hjernebark-observatorium, som tar opp levende bilder fra aktive hjernelandskap slik de aldri tidligere har vært observert.
Rapporterer live fra hjernen
I hjernen til musa Leif Erikson jobber tusenvis av hjerneceller sammen for å løse en helt spesiell oppgave. Samhandlingen kommer til syne ved at noen celler lyser opp. Straks etter lyser det fra andre celler.
Mini2P filmer live fra hjerneområdet som er ansvarlig for stedsans. Og akkurat nå er de blinkende cellene vi ser på skjermen, aktivt i gang med å hjelpe musa å finne frem. Ferden går over gulvet, opp et loddrett trappetårn, til taket av tårnet, der en raus porsjon med deilig vaniljekremkjeks venter.
– Hvis vi ønsker å forstå kompleks adferd, må dyrene vi studerer være fri til å bevege seg og oppføre seg naturlig, sier Edvard Moser. – Mini2P er det første hjerneforskningsredskapet som lar oss se i høy oppløsning samhandlingen i nettverk av hjerneceller hos dyr som uhindret kan bevege seg og utøve sin naturlige atferd.
Store oppfinnelser kommer i små pakker
Mini2P er faktisk et bittelite lys-miniskop, som ikke fungerer så ulikt fra øynene våre. Det fanger opp lys for å kunne se. Den aller minste enheten av lys som finnes, kalles for foton. Mini2P bruker to og to slike bittesmå lyspakker til å lyse opp inne i hjernen, slik at vi kan se nervecellene der inne.
Dr. Weijian Zong er hjerneforsker og biomedisinsk ingeniør ved Moser-gruppa. Han er hovedutvikleren bak den lille hjerneutforskeren Mini2P. Foto: Kavli Institute for Systems Neuroscience
– Da vi utviklet Mini2P, hadde vi to grunnregler som vi ikke var villige til å inngå kompromisser rundt, sier Weijian Zong.
– Den første regelen var at forbedringer av teknologien ikke skulle påvirke dyrets naturlige atferd. Vi hadde gjort grundige forhåndsstudier av musene sin hastighet og naturlige bevegelsesmønster når de ikke har noe utstyr på seg, så vi visste at vi måtte få mikroskopet kraftig ned i vekt, og at kabelen som forbinder Mini2P til datamaskinen måtte gjøres så fleksibel og lett som mulig. Den andre regelen var at Mini2P måtte ha minst like bra funksjon som de store maskinene det konkurrerer med. Hvis vi ønsker at forskere skal investere tid i å lære seg å bruke et nytt forskningsredskap, så holder det ikke at vi har utviklet noe som gjør at musa kan bevege seg fritt. Utstyret må i tillegg ha tekniske egenskaper som er vesentlig bedre enn forgjengerne, forklarer Zong.
En av de mange ingeniørkunstene som i dag ligger innebygd i den bittelille hjerneutforskeren, er en enda mindre spesialutviklet linse. Weijian Zong ville at Mini2P skulle kunne følge hjerneceller som ligger på ulike dybdenivå i hjernebarken, og ikke bare de som ligger på hjernens overflate. Ved å bruke statisk spenning, fant han en måte å justere på linsens krumming uten at det forårsaket temperaturøkning i utstyret. Zong demonstrerer hvordan han kan stille inn linsen til fire ulike krumninger, og Mini2P responderer ved å filme hjerneceller fra fire ulike lag i hjernen. Den lille linsa gjør det også mulig å registrere 3D-strukturer av hjernevev.
Stoff fra glassmaneter
Det som får cellene til å blinke i mikroskopet, er et fluoriserende stoff som kommer fra glassmaneter. Hver gang en celle snakker, så blir den selvlysende. Slik kan forskerne se akkurat hvilke celler som deltar i samtalen til ulike tider. Samtidig kan de følge med på hvordan disse nevrale samtalene gir opphav til ideer som musa utfører i ‘den ytre verden’.
Forskerne kan også fargekode hjerneceller etter hvilke gener de uttrykker og hvilke hjerneområder de snakker med. Fargekodingen gjør forskerne i stand til å se hvilke typer hjerneceller som må samarbeide for å skape ulike mentale funksjoner.
Mini2P filmer samtidig fra tusenvis av celler. Den kan følge de samme hjernecellene over mer enn en måned, og holde fokus selv gjennom musas mest akrobatiske øvelser, som for eksempel gjentatte hopp fra et 22 centimeter høyt tårn.
Mini2P kan utforske ulike områder og mentale funksjoner over hele hjernebarken. Forskerne har testet Mini2P i hjerneområder, blant annet i stedsansen, i minnesentralen, og i synssansen. Ved å bruke en slags lappeteppeteknikk kan den kartlegge enda større landskap på titusener av hjerneceller. Alt sammen mens musa beveger seg fritt og utøver sin naturlige atferd.
Før Mini2P var ikke dette mulig.
– Mini2P er sannsynligvis den eneste oppfinnelsen som vil komme fra Moser-laben, så det var viktig for oss at det ble en god en, sier Edvard Moser. Her sammen med forskerkollegaene Weijian Zong og May-Britt Moser. Foto: Kavli Institute for Systems Neuroscience
Mini2P vs. andre teknologier
1-foton miniskop har vært tilgjengelig det siste tiåret. De har flere problemer: Bildeoppløsningen er dårlig, bildehastigheten er lav, de kan ikke avbilde celler over flere dybdeplan, og de er ubrukelig i hjerneområder med høy aktivitet og mange hjerneceller – noe som svarer til storparten av hjernebarken.
Mini2P registrerer celler over hele 3D-volum av hjernevev, og kan filme i skalaer som spenner fra delstrukturer av celler som aksonale grener, til topografiske kart over ti tusen celler.
Dagens to-foton-mikroskop veier et halvt tonn og opptar nesten hele rommet den står i. Disse benketopp-mikroskopene krever at musas hode holdes helt stille, sånn at musa ikke kan bevege seg naturlig. De erstatter også musas tilgang på den virkelige verden med virtuell virkelighet. Det er lite som minner om naturlige opplevelser for ei mus, og det betyr at atferden sannsynligvis heller ikke blir naturlig.
Til forskjell veier Mini2P 2.4 gram, med en superfleksibel kabel, som lar musa utføre naturlige gjøremål i den virkelige verden, mens den beveger seg akkurat like fritt og hurtig som den ville ha gjort uten Mini2P på hodet.
Mini2P kan også bidra til å redusere antallet forsøksdyr som trengs. Foto: Kavli Institute for Systems Neuroscience
Mini2P skal deles med verden
– Vi mener at oppfinnelsen av Mini2P er en gamechanger, og vi ønsker å dele den med hjerneforskere og laber over hele verden, sier May-Britt Moser.
Hun er også glad for at oppfinnelsen går hånd i hånd med målet om å redusere antall dyr som brukes i forskningen. «Mini2P fanger så store mengder hjernedata fra hvert enkelt forsøk, at man trenger langt færre dyr for å finne de svarene man søker etter», sier hun.
Den nye hjerneutforskeren kan også få en viktig rolle i kampen mot hjernesykdommer.
– Alzheimers sykdom starter oftest ved at celler begynner å dø i et område av hjernen som heter entorhinal korteks, sier Edvard Moser. – Vi vet at Alzheimers sykdom gir opphav til problemer med stedsansen og hukommelsen. Disse mentale funksjonene oppstår som følge av samhandlingene mellom tusenvis av hjerneceller i nettopp dette området. Ved å bruke Mini2P sammen med en typen mus som er modellorganismer for Alzheimers sykdom, kan vi overvåke endringer i dynamikken mellom cellene som ligger i dette sårbare området», forklarer han. – Muligheten til å fargekode ulike celletyper, gjør det også mulig for oss å identifisere hvilke celler som er sårbare for de tidligste endringene knyttet til Alzheimers sykdom» sier han.
Mini2P er en oppfinnelse med åpen kildekode, tilgjengelig fra Kavli-instituttet for system-nevrovitenskap ved NTNU, i Trondheim. Byggetegningene, handlelisten, og instruksjonsvideoer er tilgjengelig fra GitHub. Kavli-instituttet vil også gjennomføre workshoper senere på året.
Bli bedre kjent med hjerneutforskeren Mini2P her.
Referanse: Zong et al. Large-scale two-photon calcium imaging in freely moving mice. Cell. 2022 Mar 18. doi: 10.1016/j.cell.2022.02.017
