當你走在路上,你的大腦中各種電子和化學(xué)信號不斷閃現(xiàn),要捕捉到這些物質(zhì)飛逝的路徑需要一臺高速攝像機和一扇進入大腦的窗戶。
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: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神經(jīng)元的過程。
加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)、分子生物學(xué)和細胞生物學(xué)副教授Na Ji說:“這真的很令人興奮,因為我們現(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)合在一個最先進的顯微鏡中,這種顯微鏡能夠以每秒3000次的速度對穿過小鼠大腦皮層的二維切片進行成像。它的速度足以追蹤流經(jīng)大腦回路的電信號。
有了這項技術(shù),神經(jīng)科學(xué)家們現(xiàn)在可以在電信號通過大腦時對其進行計時,尋找與疾病相關(guān)的傳播問題。
這項技術(shù)的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是,它將使神經(jīng)科學(xué)家能夠追蹤任何特定腦細胞從其他腦細胞(包括那些不會觸發(fā)發(fā)電的細胞)接收到的數(shù)百到數(shù)萬個輸入。這些亞閾值的輸入——刺激或抑制神經(jīng)元——逐漸累積到一個高潮,觸發(fā)細胞激發(fā)一個動作電位,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的方法是,通過植入組織中的電極,當毫秒電壓變化通過時,檢測少數(shù)神經(jīng)元的電脈沖。這項新技術(shù)可以精確定位實際的放電神經(jīng)元,一毫秒一毫秒地跟蹤信號的路徑。
加州大學(xué)伯克利分校的Helen Wills說:“在疾病中,很多情況發(fā)生在我們能看見的閾值以外,我們從來沒有研究過疾病在閾下的變化?,F(xiàn)在,我們有一個處理這種問題的方法了。”
Ji和她的同事在《Nature Methods》雜志上報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),可以同時對小鼠大腦整個半球的大部分區(qū)域進行鈣信號成像,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“介觀(mesoscope)”。
當信號通過大腦傳輸時,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展現(xiàn)出如此大范圍的大腦神經(jīng)活動,這遠遠超出了電極所能做的?!边@種方法能夠解析每個神經(jīng)元的突觸。
Ji的目標之一是了解神經(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神經(jīng)元或少數(shù)神經(jīng)元,”Ji說?!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胞上,并在環(huán)境變化時變成熒光。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開發(fā)的一種傳感器,當電壓信號沿著細胞膜傳播時,當細胞膜去極化時,該傳感器就會變成熒光。
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,例如信號離子“鈣”。
通過在大腦上快速掃描激光,科學(xué)家們就像拿著一個手電筒逐漸揭示黑暗房間內(nèi)的場景。研究小組用一個光學(xué)反射鏡替換激光的兩個旋轉(zhuǎn)反射鏡中的一個,能夠每秒對一個大腦層進行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)頻增強延遲(FACED)”,由香港大學(xué)的Kevin Tsia開發(fā)。
千赫成像不僅顯示了毫秒級的電壓變化,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,電壓成像的毫秒時間分辨率,并看到大腦深處的所有這些,”她補充說?!按竽X的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性在于,如果你只做一個單一的光學(xué)部分,在某種程度上你并不能得到完整的圖像,因為神經(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)
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