捕捉大腦活動的復雜性需要分辨率、規(guī)模和速度——能夠以水晶般清晰的分辨率可視化數(shù)百萬個神經(jīng)元，因為它們在幾分之一秒內(nèi)從皮層的遙遠角落主動呼喚。
現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種顯微鏡技術，可以讓科學家們完成這一壯舉，以前所未有的清晰度高速捕捉大腦不同深度的大量細胞活動的詳細圖像。該研究發(fā)表在Nature Methods 上，展示了第一部生動的功能電影，展示了小鼠大腦中 100 萬個神經(jīng)元幾乎同時活動的影像，展示了這項被稱為光珠顯微鏡的創(chuàng)新的力量。
洛克菲勒的 Alipasha Vaziri 說：“要了解大腦密集互連網(wǎng)絡的性質(zhì)，需要開發(fā)新的成像技術，以高速和單細胞分辨率捕獲大量分離的大腦區(qū)域中神經(jīng)元的活動。” “光珠顯微鏡將使我們能夠以前所未有的方式研究生物學問題�！�
專注于顯微鏡
無論是通過來回輕彈來尋找危險的胡須，還是幫助人類擊球的手眼協(xié)調(diào)，動物都依賴于大腦的感覺、運動和視覺區(qū)域的調(diào)用和反應。來自皮層遠端的細胞通過神經(jīng)活動網(wǎng)絡協(xié)調(diào)這一壯舉，該網(wǎng)絡將大腦的遙遠區(qū)域編織成相互關聯(lián)的交響樂。
在尖端顯微鏡技術的幫助下，科學家們現(xiàn)在才剛剛開始解開這個網(wǎng)絡。雙光子掃描顯微鏡和熒光標簽的組合是對不太透明的腦組織內(nèi)的神經(jīng)元活動進行成像的黃金標準，這些腦組織容易散射光。它涉及向標記目標發(fā)射聚焦激光脈沖。在脈沖達到其標記后幾納秒，標簽會發(fā)出熒光，可以通過解釋讓科學家了解檢測到的神經(jīng)活動水平。
但是雙光子顯微鏡有一個基本的限制。神經(jīng)生物學家需要同時記錄大腦的感覺、運動和視覺區(qū)域之間的相互作用，但很難在不犧牲分辨率或速度的情況下捕捉如此廣泛的大腦區(qū)域的活動。
小鼠大腦中一百萬個神經(jīng)元的神經(jīng)活動，以前所未有的分辨率。圖片來源：Alipasha Vaziri。
設計一個理想的顯微鏡來可視化相距很遠的大腦區(qū)域之間的相互作用，感覺就像在沉沒的船上堵住洞一樣。為了獲得高分辨率，科學家們通常必須犧牲尺度——或者以分辨率為代價縮小以獲取更大的結(jié)構。這可以通過分別從大腦的遙遠角落拍攝一系列高分辨率圖像，然后將它們拼接在一起來克服。但隨后速度成為一個問題。
“我們需要以高分辨率同時捕獲大腦遠處部分的許多神經(jīng)元，”Vaziri 說。“這些參數(shù)幾乎是相互排斥的�！�
創(chuàng)新的解決方案
光珠顯微鏡提供了一種創(chuàng)造性的解決方案，并將成像速度的極限推到了最大程度——僅受熒光本身物理性質(zhì)的限制。這是通過在沒有記錄到神經(jīng)活動且同時不需要掃描時消除連續(xù)激光脈沖之間的“死區(qū)時間”來實現(xiàn)的。
該技術包括將一個強脈沖分解為 30 個較小的子脈沖——每個子脈沖的強度不同——它們潛入 30 個不同深度的散射小鼠大腦，但在每個深度誘導相同數(shù)量的熒光。這是通過一個反射鏡腔來實現(xiàn)的，該反射鏡在時間上錯開每個脈沖的發(fā)射，并確保它們都可以通過單個顯微鏡聚焦鏡頭到達目標深度。使用這種方法，可以記錄樣本的速度的唯一限制是熒光標簽閃光所需的時間。這意味著可以在傳統(tǒng)雙光子顯微鏡僅捕獲少量腦細胞的同一時間內(nèi)記錄大腦的大片區(qū)域。
Vaziri 及其同事隨后將光珠顯微鏡整合到一個顯微鏡平臺中進行測試，該平臺允許光學訪問大腦容量，從而能夠記錄小鼠大腦整個皮層中超過一百萬個神經(jīng)元的活動，以便第一次。
由于 Vaziri 的方法是建立在兩個光子顯微鏡基礎上的創(chuàng)新，因此許多實驗室已經(jīng)擁有或可以商業(yè)獲得執(zhí)行光珠顯微鏡所需的技術，如論文中所述。不太熟悉這些技術的實驗室可以從 Vaziri 目前為更廣泛使用而開發(fā)的簡化的、獨立的模塊中受益�！拔迥昵拔覀儧]有這樣做，沒有充分的理由，”他說�！斑@本來是可能的——顯微鏡和激光技術存在。沒有人想到這一點�！�
最終，目標是補充而不是取代當前的技術�！皹藴孰p光子顯微鏡足以解決一些神經(jīng)生物學問題，”Vaziri 說�！暗枪庵轱@微鏡使我們能夠解決現(xiàn)有方法無法解決的問題�！�
