為了了解大腦，科學(xué)家們必須能夠逐細胞逐刻地觀察腦細胞。然而，由于大腦由數(shù)十億個微小的運動部件組成，忠實地記錄它們的活動帶來了許多挑戰(zhàn)。例如，在密集的哺乳動物大腦中，很難追蹤多個大腦結(jié)構(gòu)中細胞的快速變化——尤其是當這些結(jié)構(gòu)位于大腦深處時。洛克菲勒大學(xué)科學(xué)家們開發(fā)了一種新的顯微鏡技術(shù)，將新的和現(xiàn)有的方法結(jié)合起來，幫助建立一個更有凝聚力的大腦圖像。發(fā)表在在《細胞》中，該技術(shù)以令人印象深刻的速度和新的深度捕捉了大量神經(jīng)組織的細胞活動。

博科園：幾十年來，大腦成像一直被權(quán)衡所困擾。有些技術(shù)可以生成漂亮的圖像，但無法實時記錄神經(jīng)活動。其他可以跟上大腦的速度，但空間分辨率很差。盡管有一些策略可以成功地將速度和圖像質(zhì)量結(jié)合起來，但它們通常只能捕獲少量的細胞。神經(jīng)技術(shù)和生物物理學(xué)實驗室的負責(zé)人Alipasha?Vaziri說：部分原因是控制這些權(quán)衡的限制還沒有被系統(tǒng)和綜合地探索和推進。瓦茲里希望結(jié)束權(quán)衡利弊的時代，他努力改進一種被稱為雙光子顯微鏡的技術(shù)。它涉及到激光的應(yīng)用，激光能使腦組織發(fā)出熒光或發(fā)光；對于許多研究人員來說，2p一直是探測大腦細胞活動的黃金標準。

然而，這種技術(shù)也有局限性。標準2p顯微鏡需要對給定區(qū)域逐點掃描，這導(dǎo)致成像速度較慢。為了解決這個問題，Vaziri和同事實施了一種新的策略，允許從多個大腦區(qū)域并行記錄，同時仔細控制每個記錄點的大小和形狀。傳統(tǒng)2p的另一個弱點是，它只測量大腦的表面或皮層，忽略了深埋在器官內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，如海馬狀突起，海馬狀突起與存儲記憶有關(guān)。神經(jīng)科學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是開發(fā)成像技術(shù)，在保持高分辨率的同時測量大腦深部區(qū)域的活動。為了迎接這個挑戰(zhàn)，決定使用一種新的技術(shù)：三光子顯微鏡。

雖然2P不能超出老鼠大腦的表面或皮層，但3p可以穿透更深的區(qū)域。Vaziri最新發(fā)明被稱為混合多路復(fù)用雕刻光學(xué)顯微鏡(HyMS)，它同時應(yīng)用了2P和3P技術(shù)，使研究人員能夠生成一幅跨越多層腦組織的快速細胞活動的圖像。除了混合激光戰(zhàn)略，HyMS還集成了該領(lǐng)域最近的其他技術(shù)和概念上的進步，這是一種協(xié)同的方法，指導(dǎo)了該技術(shù)的發(fā)展。目標是通過多光子激發(fā)顯微鏡獲取盡可能多的生物信息，同時最小化這種方法產(chǎn)生的熱量。當測試新系統(tǒng)時，科學(xué)家們獲得了很多信息。HyMS擁有現(xiàn)有3p技術(shù)中最高的幀率，這意味著它可以以創(chuàng)紀錄的速度捕捉生物變化。

以前的技術(shù)只掃描單一平面的組織，而這項技術(shù)可以從整個組織樣本中獲取信息，并允許用戶一次記錄多達12000個神經(jīng)元。HyMS另一個優(yōu)勢是它能夠同時測量大腦不同深度區(qū)域的活動。由于大腦的不同層次不斷地交換信號，追蹤這些區(qū)域之間的相互作用是了解器官如何運作的關(guān)鍵。在此之前，人們甚至無法同時觀察皮層整個深度的神經(jīng)元活動。有了這項技術(shù)，可以看到大腦皮層內(nèi)部、皮層和皮層下結(jié)構(gòu)之間的信息流是什么樣。除了探索新的深度，HyMS還使研究人員記錄動物在積極參與環(huán)境活動時的大腦活動。

例如，在一項實驗中，研究人員使用這項技術(shù)記錄了數(shù)千只老鼠在跑步機上行走或聽聲音時神經(jīng)元發(fā)出的信號。他們能夠獲得良好的記錄這一事實表明，當動物執(zhí)行不同的任務(wù)時，這項技術(shù)可能被用于監(jiān)測大型細胞群——這一應(yīng)用可能有助于闡明行為和認知的各個方面的神經(jīng)機制。此外，像HyMS這樣的技術(shù)對于希望更好地理解大腦如何處理信息的研究人員來說是至關(guān)重要。大腦中的神經(jīng)元緊密相連，信息往往不是由單個細胞表示，而是由網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)表示。要理解網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)，需要在單神經(jīng)元水平上精確測量大腦的大部分。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:?洛克菲勒大學(xué)

參考期刊文獻:《細胞》

DOI:?10.1021/acsnano.8b09559

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