Miniature two-photon microscope for ultra-high-throughput calcium imaging in freely moving animals

Hjernen, et intrikat nettverk av milliarder av nevroner, fungerer som en organismes sentrale knutepunkt for å behandle informasjon og kontrollere komplekse atferder. Vår kunnskap om komplekse hjernefunksjoner er imidlertid betydelig begrenset av at det tidligere ikke har vært mulig å overvåke aktiviteten i store nevrale populasjoner hos dyr som fritt utfører sin komplekse atferd. To-foton-mikroskopi (2P) er i dag en av de mest kraftfulle teknikkene for storskala avbildning av nevrale aktiviteter av dyreatferd. En betydelig begrensning ved denne teknologien er at tradisjonelle 2P-mikroskop er store og krever at dyrene må være hodefiksert under objektivet for avbildning, på samme måte som mennesker må immobiliseres under MR- eller CT-skanning. For å overvinne denne begrensningen har forskere utviklet miniatyriserte 2P-mikroskop som kan festes stabilt på hodet til fritt bevegelige dyr, noe som muliggjør studier av nevral aktivitet under naturlig atferd. Til tross for betydelige teknologiske fremskritt gjenstår fortsatt kapasitetsbegrensninger i eksisterende miniatyriserte 2P-mikroskop, der antallet nevroner som kan registreres samtidig fortsatt ligger på hundretallet - bare en liten brøkdel av det totale antallet nevroner i en typisk mikrokrets i hjernen. Vårt prosjekt tar sikte på å revolusjonere dette feltet ved å utvikle et neste-generasjons miniatyrisert 2P-mikroskop. Dette systemet integrerer flere teknologiske innovasjoner som samlet vil øke mikroskopets kapasitet for nevrale registreringer fra noen hundre nevroner til tusenvis av nevroner - en potensiell ti gangers forbedring sammenlignet med dagens beste teknologi. Dersom prosjektet lykkes, vil det nye mikroskopet muliggjøre en enestående skala av nevrale registreringer hos fritt bevegelige, adferdsutøvende dyr - et gjennombrudd som vil gi transformative innsikter i de grunnleggende nevrale beregningsprinsippene som gir opphav til høyere kognitive funksjoner.

To uncover the neuronal mechanisms underlying complex cognitive functions, neuroscientists need to understand how information is encoded in populations of neurons. This requires measuring large-scale neuronal activity at cellular resolution in animals exhibiting natural behaviors. The current state-of-the-art technologies are silicon probes and miniaturized two-photon microscopes, or 2P miniscopes. 2P miniscopes offer significant benefits over silicon probes in terms of spatial resolution and the ability to record from the same neuronal population over extended periods. However, the recording capacity of 2P miniscopes is currently limited to hundreds of neurons, which falls short of the thousands of neurons needed to decipher the neurocomputational mechanisms within brain microcircuits. To bridge this gap, a pivotal development direction for this technology is to substantially increase the number of neurons that can be simultaneously recorded. In this project, I aim to push these boundaries by creating a new 2P miniscope (MINI10K) by upgrading most core components and introducing new designs to record, simultaneously, thousands of neurons in freely moving mice, increasing the neuron recording capacity by an order of magnitude compared to existing systems. I will demonstrate the MINI10K’s capability by measuring the spatial organization and population dynamics of various spatial cell types in a large anatomical area of the entorhinal cortex which is a critical step toward understanding the mechanism of cognitive map formation in the mammalian brain. The project is transformative in that it will enable us to explore population coding with unprecedented throughput and without behavioral restrictions, paving the way for studying the nseuronal mechanisms of cognitive functions at the network level.