當(dāng)你走在路上，你的大腦中各種電子和化學(xué)信號(hào)不斷閃現(xiàn)，要捕捉到這些物質(zhì)飛逝的路徑需要一臺(tái)高速攝像機(jī)和一扇進(jìn)入大腦的窗戶。

加州大學(xué)伯克利分校的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)制造出這樣一種照相機(jī)：一種顯微鏡，能夠以每秒成像1000次的速度捕捉處于警戒狀態(tài)的老鼠的大腦，第一次記錄了毫秒電脈沖通過(guò)神經(jīng)元的過(guò)程。

加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)、分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)副教授Na Ji說(shuō)：“這真的很令人興奮，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在能夠做一些人們以前真的做不到的事情?！?。

新的成像技術(shù)將雙光子熒光顯微鏡和全光激光掃描技術(shù)結(jié)合在一個(gè)最先進(jìn)的顯微鏡中，這種顯微鏡能夠以每秒3000次的速度對(duì)穿過(guò)小鼠大腦皮層的二維切片進(jìn)行成像。它的速度足以追蹤流經(jīng)大腦回路的電信號(hào)。

有了這項(xiàng)技術(shù)，神經(jīng)科學(xué)家們現(xiàn)在可以在電信號(hào)通過(guò)大腦時(shí)對(duì)其進(jìn)行計(jì)時(shí)，尋找與疾病相關(guān)的傳播問(wèn)題。

這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，它將使神經(jīng)科學(xué)家能夠追蹤任何特定腦細(xì)胞從其他腦細(xì)胞（包括那些不會(huì)觸發(fā)發(fā)電的細(xì)胞）接收到的數(shù)百到數(shù)萬(wàn)個(gè)輸入。這些亞閾值的輸入——刺激或抑制神經(jīng)元——逐漸累積到一個(gè)高潮，觸發(fā)細(xì)胞激發(fā)一個(gè)動(dòng)作電位，將信息傳遞給其他神經(jīng)元。

從電極到熒光成像

典型的記錄大腦電活動(dòng)的方法是，通過(guò)植入組織中的電極，當(dāng)毫秒電壓變化通過(guò)時(shí)，檢測(cè)少數(shù)神經(jīng)元的電脈沖。這項(xiàng)新技術(shù)可以精確定位實(shí)際的放電神經(jīng)元，一毫秒一毫秒地跟蹤信號(hào)的路徑。

加州大學(xué)伯克利分校的Helen Wills說(shuō)：“在疾病中，很多情況發(fā)生在我們能看見(jiàn)的閾值以外，我們從來(lái)沒(méi)有研究過(guò)疾病在閾下的變化?，F(xiàn)在，我們有一個(gè)處理這種問(wèn)題的方法了?！?/p>

Ji和她的同事在《Nature Methods》雜志上報(bào)道了這種新的成像技術(shù)。同期雜志，她和其他同事還發(fā)表了另一篇論文，展示了一種不同的技術(shù)，可以同時(shí)對(duì)小鼠大腦整個(gè)半球的大部分區(qū)域進(jìn)行鈣信號(hào)成像，這種技術(shù)使用了結(jié)合雙光子成像和Bessel聚焦掃描的寬視場(chǎng)“介觀（mesoscope）”。

當(dāng)信號(hào)通過(guò)大腦傳輸時(shí)，鈣濃度與電壓變化有關(guān)。

“這是第一次有人在三維空間同時(shí)展現(xiàn)出如此大范圍的大腦神經(jīng)活動(dòng)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電極所能做的?！边@種方法能夠解析每個(gè)神經(jīng)元的突觸。

Ji的目標(biāo)之一是了解神經(jīng)元如何在大腦大區(qū)域內(nèi)相互作用，最終定位與大腦疾病相關(guān)的疾病回路。

“在包括神經(jīng)退行性疾病在內(nèi)的大腦疾病中，患病的不僅僅是單個(gè)神經(jīng)元或少數(shù)神經(jīng)元，”Ji說(shuō)?！八裕绻阏娴南肓私膺@些疾病，你就要能夠在不同的大腦區(qū)域觀察盡可能多的神經(jīng)元。通過(guò)這種方法，我們可以更全面地了解大腦中正在發(fā)生的事情?！?/p>

雙光子顯微鏡

Ji和她的同事能夠窺視大腦，這得益于探針可以固定在特定類型的細(xì)胞上，并在環(huán)境變化時(shí)變成熒光。例如，為了跟蹤神經(jīng)元中的電壓變化，她的研究小組使用了斯坦福大學(xué)（Stanford University）Michael Lin開(kāi)發(fā)的一種傳感器，當(dāng)電壓信號(hào)沿著細(xì)胞膜傳播時(shí)，當(dāng)細(xì)胞膜去極化時(shí)，該傳感器就會(huì)變成熒光。

然后研究人員用雙光子激光照射這些熒光探針，如果它們被激活，就會(huì)發(fā)出光或熒光。發(fā)射的光被顯微鏡捕獲并合成二維圖像，該圖像顯示電壓變化的位置或特定化學(xué)物質(zhì)的存在，例如信號(hào)離子“鈣”。

通過(guò)在大腦上快速掃描激光，科學(xué)家們就像拿著一個(gè)手電筒逐漸揭示黑暗房間內(nèi)的場(chǎng)景。研究小組用一個(gè)光學(xué)反射鏡替換激光的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)反射鏡中的一個(gè)，能夠每秒對(duì)一個(gè)大腦層進(jìn)行1000到3000次全二維掃描，這種技術(shù)被稱為“自由空間角度線性調(diào)頻增強(qiáng)延遲（FACED）”，由香港大學(xué)的Kevin Tsia開(kāi)發(fā)。

千赫成像不僅顯示了毫秒級(jí)的電壓變化，而且還顯示了更為緩慢的鈣和谷氨酸（一種神經(jīng)遞質(zhì)）的濃度變化，這些濃度變化來(lái)自距離大腦表面深至350微米（1/3毫米）的區(qū)域。

Ji現(xiàn)在正在研究結(jié)合四種技術(shù)——雙光子熒光顯微鏡、Bessel光束聚焦、FACED和自適應(yīng)光學(xué)——來(lái)展現(xiàn)大腦皮層深處約1毫米厚的高速、高靈敏度圖像。

“為了更好的了解大腦，我的夢(mèng)想是結(jié)合這些顯微鏡技術(shù)，獲得亞微米空間分辨率，這樣我們就可以看到突觸，電壓成像的毫秒時(shí)間分辨率，并看到大腦深處的所有這些，”她補(bǔ)充說(shuō)?！按竽X的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性在于，如果你只做一個(gè)單一的光學(xué)部分，在某種程度上你并不能得到完整的圖像，因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)是非常三維的?！?/p>

原文檢索：Kilohertz two-photon fluorescence microscopy imaging of neural activity in vivo

（生物通：伍松）