研究人员用3d技术观看活老鼠大脑中神经元之间的对话

没有单个神经元产生一个想法或行为;大脑所完成的任何事情都是细胞间巨大的协作努力。在工作时，神经元彼此快速交谈，在交流时形成网络。由洛克菲勒大学的Alipash Vaziri领导的研究人员正在开发一种技术，使记录大脑活动在这些网络中发挥作用成为可能。

这项研究发表于10月31日自然方法，他们记录了成千上万的活动神经元在三维切片中分层大脑当他们在一只活老鼠身上互相发出信号时。

“我们工作的最终目标是研究大脑中大量相互连接的神经元是如何实时相互作用的，以及它们的动态是如何导致行为的，”副教授、神经技术和生物物理学实验室主任瓦齐里说。“通过开发一种基于‘光雕刻’的新方法，并利用它来捕捉皮层大部分神经元的活动，这是一种与高级大脑功能有关的分层大脑结构，我们在这个方向上迈出了重要一步。”

这种类型的记录提出了相当大的技术挑战，因为它需要能够捕捉单个细胞内短期事件的工具，同时观察大量脑组织。

瓦齐里去年加入洛克菲勒，大约六年前，他在维也纳分子病理学研究所(Research Institute of Molecular Pathology)开始朝着这个目标努力。他的团队首先成功地开发了一种基于光学显微镜的方法来观察整个蛔虫大脑中302个神经元的活动，然后再转向幼虫斑马鱼的10万个神经元器官。他们的下一个目标是老鼠的大脑，这更具挑战性，原因有两个:不仅它更复杂，有大约7000万个神经元，而且啮齿动物的大脑也不透明，不像更透明的蠕虫和幼虫鱼的大脑。

为了使神经元的活动可见，它们必须被改变。研究人员改造了这些小鼠，使它们的神经元在相互发送信号时可以发出荧光。信号越强，细胞就越亮。

他们开发的显微镜系统必须满足相互竞争的要求:它需要产生一个球状的点，比神经元略小，并能够有效地激发神经元的荧光。与此同时，它还必须移动得足够快，以便在它们发射时在三维空间中扫描数千个细胞的活动实时．

该团队使用一种称为“光雕刻”的技术来实现这一目标，在这种技术中，短脉冲的激光，每个持续时间只有千万亿分之一秒，被分散到它们的彩色组件中。然后这些被带回一起产生“雕刻”激发球。

这个球体被扫描以照亮一个平面内的神经元，然后重新聚焦在上面或下面的另一层神经元上，这样就可以在三维空间中记录神经信号。(这是在老鼠的头部被固定的情况下完成的，但它的腿可以在定制的跑步机上自由跑步。)

用这种方法，瓦齐里和他的同事记录了动物大脑皮层八分之一立方毫米内的活动，这个体积代表了一个被称为皮层柱的单位的大部分。通过同时捕捉和分析皮层柱内神经元的动态活动，研究人员认为他们可能能够从整体上理解大脑计算。在这种情况下，研究的皮层部分负责计划运动。

研究人员目前正在努力捕捉整个这样一个单元的活动。

“神经科学和许多其他生物学领域的进展受到现有工具的限制，”瓦齐里说。“通过开发越来越快、分辨率越来越高的成像技术，我们希望能够将大脑研究推向新的前沿。”