高速显微镜捕捉短暂的大脑信号

当我们在这个世界上移动时，电子和化学信号不断地在我们的大脑中闪现，但要捕捉到它们转瞬即逝的路径，需要一台高速相机和一扇进入大脑的窗户。

加州大学伯克利分校的研究人员现在已经制造了这样一种相机:一种显微镜，可以成像大脑一个警觉的老鼠每秒1000次，第一次记录了毫秒级的电脉冲通过神经元。

“这真的很令人兴奋，因为我们现在能够做一些以前人们真的不能做的事情，”首席研究员Na Ji说，他是加州大学伯克利分校的物理学和分子生物学副教授细胞生物学．

这种新的成像技术结合了双光子荧光显微镜和全光子显微镜光学激光用一种最先进的显微镜扫描，它可以每秒扫描小鼠大脑新皮层的二维切片达3000次。这样的速度足以追踪流经大脑回路的电信号。

有了这项技术，像季勇这样的神经科学家现在可以计时了电信号当它们在大脑中传播并最终寻找与疾病相关的传播问题时。

这项技术的一个关键优势是，它将允许神经科学家跟踪任何给定的脑细胞从其他细胞接收到的数以百计到数以万计的输入大脑细胞包括那些不会触发细胞放电的基因。这些阈值以下的输入——要么刺激神经元，要么抑制神经元——逐渐累积成一个渐强的信号，触发细胞发出动作电位，将信息传递给其他神经元。

从电极到荧光成像

记录大脑电放电的典型方法是通过嵌入在组织中的电极，在毫秒级的电压变化通过时，只检测到来自少数神经元的光点。这项新技术可以精确定位实际发出信号的神经元，并以毫秒为单位跟踪信号的路径。

“在疾病中，甚至在你看到神经元放电之前，许多事情就已经发生了，比如所有的阈下事件，”加州大学伯克利分校海伦·威尔斯神经科学研究所的成员Ji说。“我们从未研究过阈下输入会如何改变一种疾病。现在，我们有办法解决这个问题。”

季和她的同事在3月份的杂志上报道了这种新的成像技术自然方法．在同一期杂志上，她和其他同事还发表了一篇论文，展示了一种不同的技术，可以在小鼠大脑的大半个半球同时成像钙信号，这种技术使用了宽视场的“介观镜”，带有双光子成像和贝塞尔聚焦扫描。当信号通过大脑传输时，钙浓度与电压变化有关。

“这是第一次有人在三维空间中展示如此大体积大脑的神经活动，这远远超过了电极所能做的，”季说。“此外，我们的成像方法使我们能够分辨每个神经元的突触。”

突触是一个神经元释放神经递质来刺激或抑制另一个神经元的地方。

冀的目标之一是了解神经元如何在大脑的大片区域内相互作用，并最终定位与大脑疾病相关的病变回路。

“在包括神经退行性疾病在内的大脑疾病中，患病的不仅仅是单个神经元或几个神经元，”季说。“所以，如果你真的想了解这些疾病，你就需要能够观察不同大脑区域尽可能多的神经元。通过这种方法，我们可以更全面地了解大脑中发生了什么。”

双光子显微镜

由于探针可以固定在特定类型的细胞上，并在环境变化时发出荧光，吉和她的同事能够窥探大脑。例如，为了跟踪神经元的电压变化，她的团队使用了斯坦福大学的共同作者迈克尔·林(Michael Lin)开发的传感器，当电压信号沿细胞膜传播时，当细胞膜去极化时，传感器就会变成荧光。

然后，研究人员用双光子激光照射这些荧光探针，如果它们被激活，就会发出光或荧光。发射出的光被显微镜捕获并组合成二维图像，显示电压变化的位置或特定化学物质的存在，如信号离子钙。

通过快速扫描大脑上的激光，就像手电筒一样，逐渐显示出黑暗房间里的场景，研究人员能够获得新皮层单层的薄层图像。通过将激光的两个旋转反射镜中的一个换成光学反射镜，该团队能够每秒对单个大脑层进行1000到3000次完整的二维扫描——这种技术被称为自由空间角啁啾增强延迟(faces)。faces是由香港大学的Kevin Tsia开发的。

千赫兹成像不仅显示了电压的毫秒级变化，还显示了距离大脑表面350微米(1 / 3毫米)深处的钙和谷氨酸(一种神经递质)浓度的缓慢变化。

获得钙离子通过的快速三维图像神经元她将双光子荧光显微镜与贝塞尔聚焦扫描技术相结合。为了避免对每一微米厚的新皮层进行耗时的扫描，双光子激光的激发焦点从一个点变成一个小圆柱体，像铅笔一样，大约100微米长。然后在大脑中对铅笔光束进行六种不同深度的扫描，然后将荧光图像结合起来形成3d图像。这使得扫描速度更快，信息损失更小，因为在每个铅笔一样的体积中，通常只有一个神经元在任何时候是活跃的。介观镜可以成像直径约5毫米的区域——几乎是老鼠大脑半球的四分之一——650微米深，接近参与复杂信息处理的新皮层的全部深度。

“使用传统的方法，我们需要扫描300张图像来覆盖这个体积，但是使用一种拉长的光束将体积折叠到一个平面上，我们只需要扫描6张图像，这意味着现在我们可以有一个足够快的体积速率来观察它的钙活性，”吉说。

目前，吉正致力于将四种技术——双光子荧光显微镜、贝塞尔光束聚焦、人脸和自适应光学技术——结合起来，以在大约1毫米厚的新皮层深处获得高速、高灵敏度的图像。

她补充说:“作为了解大脑的一种方式，我的梦想是结合这些显微镜技术来获得亚微米的空间分辨率，这样我们就可以看到突触，电压成像的毫秒时间分辨率，并看到大脑深处的所有这些。”“大脑的复杂性和挑战性在于，如果你只做一个单一的光学切片，在某种程度上你无法得到完整的图像，因为神经网络非常立体。”