新方法使持久成像快速的大脑活动在单个细胞皮层深处

当你读这句话,大脑的某些区域是显示一系列millisecond-fast电活动。观察和测量这电活动是至关重要的理解大脑如何使我们能够看到的,移动,表现或者阅读这些话。然而,从实现技术局限性延迟神经科学家改善的目标的理解大脑是如何工作的。

贝勒医学院的科学家们在《和合作机构报告细胞一个新的传感器,允许神经大脑活动图像,而不丢失的信号,在较长时间和比以前更深的大脑中。这项工作是新发现铺平了道路如何清醒的大脑功能,活跃的动物那些健康和神经疾病。

神经科学的圣杯

“不仅是大脑的电活动非常快,它还涉及到不同的细胞类型,有不同的角色在大脑计算,“通讯作者说,弗朗索瓦•圣皮埃尔博士,神经科学助理教授和贝勒McNair学者。他也是一个兼职助理赖斯大学电子和计算机科学教授。“这是挑战找出动物观察millisecond-fast单个神经元电活动的特定类型的细胞在动物身上进行的活动。能够做到这一点是神经影像学的圣杯”。

有现有的技术来测量大脑的电活动。“例如,电极可以记录非常快的活动,但是他们不知道他们正在听什么类型的细胞,”圣皮埃尔说。

研究人员还使用荧光蛋白,对钙的变化与电活动有关。这些变化在随后荧光可以使用2-photon显微镜。“这种传感器确定哪些优秀的神经元是活跃的,而哪些没有。然而,他们非常缓慢。他们间接测量电压的变化,从而错过了很多关键的信号。”

圣皮埃尔和他的同事们的目标是把这些最好的方法来开发一个传感器,可以监测特定细胞类型的活动,而大脑信号捕获快。“我们已经达到了这个设计的新一代荧光蛋白基因编码的电压指标或GEVIs,称为“圣皮埃尔说。

Co-first authors-Zhuohe(哈利)刘,小雨(海伦)Lu和岳阳(Eric) Gou-created和使用一个自动化系统工程师提供了一个更好、更有效的方法和优化双光子显微镜,荧光电压指标的深层成像在神经科学的标准方法。“使用这个系统,我们测试了成千上万的变异指标和确定JEDI-2P,这是更快、更明亮、更敏感和photostable比它的前辈一样,”刘说,研究生在莱斯大学电气和计算机工程在圣皮埃尔实验室工作。

“JEDI-2P,我们解决三个重要的缺点之前的方法,”陆说,研究生从系统、合成生物学和物理(SSPB)计划在赖斯是谁在圣皮埃尔实验室工作。“首先,它允许我们遵循电活动在活的动物最多只要40分钟,而不是几分钟。第二,我们可以用时间分辨率图像的峰值电活动约1毫秒,第三我们可以形象的单个细胞深层大脑中因为我们的指标是明亮和生产大型信号在大脑活动。”

直到现在,研究人员观察大脑表面有限,“但大多数大脑的活动显然不是局限于第一个50微米以下大脑表面,”圣皮埃尔说。“我们的方法可以让研究者去无创性监测电压信号到大脑皮层的深层,第一次,”郭台铭说,以前的圣皮埃尔的成员在神经科学实验室现研究生项目贝勒。

贝勒合作者Andreas Tolias博士,神经科学教授和雅各布博士雷蒙,神经科学助理教授,证明JEDI-2P可以报告电活动在许多神经影像实验室老鼠使用成像设备可用。作者史蒂芬Dieudonne(法国),高等师范显示深度和超速检测大脑小鼠的电信号通过监测JEDI-2P与快速荧光显微镜方法称为ULoVE。

合作者Drs的实验室。凯特琳因特网(组长、图宾根大学、德国)和汤姆Clandinin(斯坦福大学)表明JEDI-2P电活动也可以应用于图像在视网膜和苍蝇,分别。综上所述,这个国际合作证明,新技术可以容易部署由神经科学团体在不同的动物模型和使用各种显微技术。

“2014年,我神经科学学会的年会上作了陈述这个指标,人们的第一个版本滚动他们的眼睛。他们认为绝不可能快速电压与荧光成像指标在清醒动物由于成像毫秒级活动的巨大的技术挑战,”圣皮埃尔说。“八年后,我们实现了这一目标。还有发展空间indicator-it绝地不会是最后一个!”