太厲害了！新的顯微鏡技術可以深入觀察大腦！

為了了解大腦，科學家們必須能夠逐細胞逐刻地觀察腦細胞。然而，由於大腦由數十億個微小的運動部件組成，忠實地記錄它們的活動帶來了許多挑戰。例如，在密集的哺乳動物大腦中，很難追蹤多個大腦結構中細胞的快速變化——尤其是當這些結構位於大腦深處時。洛克菲勒大學科學家們開發了一種新的顯微鏡技術，將新的和現有的方法結合起來，幫助建立一個更有凝聚力的大腦圖像。發表在在《細胞》中，該技術以令人印象深刻的速度和新的深度捕捉了大量神經組織的細胞活動。

激光聚焦

博科園：幾十年來，大腦成像一直被權衡所困擾。有些技術可以生成漂亮的圖像，但無法實時記錄神經活動。其他可以跟上大腦的速度，但空間解析度很差。儘管有一些策略可以成功地將速度和圖像質量結合起來，但它們通常只能捕獲少量的細胞。神經技術和生物物理學實驗室的負責人Alipasha Vaziri說：部分原因是控制這些權衡的限制還沒有被系統和綜合地探索和推進。瓦茲里希望結束權衡利弊的時代，他努力改進一種被稱為雙光子顯微鏡的技術。它涉及到激光的應用，激光能使腦組織發出熒光或發光；對於許多研究人員來說，2p一直是探測大腦細胞活動的黃金標準。

使用一種新的顯微鏡技術，研究人員同時從小鼠大腦皮層(綠色)和海馬(藍色)記錄下來，明亮的區域與細胞活動有關。（可視化動圖如下圖）圖片：Rockefeller University

然而，這種技術也有局限性。標準2p顯微鏡需要對給定區域逐點掃描，這導致成像速度較慢。為了解決這個問題，Vaziri和同事實施了一種新的策略，允許從多個大腦區域並行記錄，同時仔細控制每個記錄點的大小和形狀。傳統2p的另一個弱點是，它只測量大腦的表面或皮層，忽略了深埋在器官內部的結構，如海馬狀突起，海馬狀突起與存儲記憶有關。神經科學面臨的最大挑戰之一是開發成像技術，在保持高解析度的同時測量大腦深部區域的活動。為了迎接這個挑戰，決定使用一種新的技術：三光子顯微鏡。

雖然2P不能超出老鼠大腦的表面或皮層，但3p可以穿透更深的區域。Vaziri最新發明被稱為混合多路復用雕刻光學顯微鏡(HyMS)，它同時應用了2P和3P技術，使研究人員能夠生成一幅跨越多層腦組織的快速細胞活動的圖像。除了混合激光戰略，HyMS還集成了該領域最近的其他技術和概念上的進步，這是一種協同的方法，指導了該技術的發展。目標是通過多光子激發顯微鏡獲取儘可能多的生物信息，同時最小化這種方法產生的熱量。當測試新系統時，科學家們獲得了很多信息。HyMS擁有現有3p技術中最高的幀率，這意味著它可以以創紀錄的速度捕捉生物變化。

以前的技術只掃描單一平面的組織，而這項技術可以從整個組織樣本中獲取信息，並允許用戶一次記錄多達12000個神經元。HyMS另一個優勢是它能夠同時測量大腦不同深度區域的活動。由於大腦的不同層次不斷地交換信號，追蹤這些區域之間的相互作用是了解器官如何運作的關鍵。在此之前，人們甚至無法同時觀察皮層整個深度的神經元活動。有了這項技術，可以看到大腦皮層內部、皮層和皮層下結構之間的信息流是什麼樣。除了探索新的深度，HyMS還使研究人員記錄動物在積极參与環境活動時的大腦活動。

例如，在一項實驗中，研究人員使用這項技術記錄了數千隻老鼠在跑步機上行走或聽聲音時神經元發出的信號。他們能夠獲得良好的記錄這一事實表明，當動物執行不同的任務時，這項技術可能被用於監測大型細胞群——這一應用可能有助於闡明行為和認知的各個方面的神經機制。此外，像HyMS這樣的技術對於希望更好地理解大腦如何處理信息的研究人員來說是至關重要。大腦中的神經元緊密相連，信息往往不是由單個細胞表示，而是由網路狀態表示。要理解網路的動態，需要在單神經元水平上精確測量大腦的大部分。

博科園-科學科普｜研究/來自: 洛克菲勒大學

參考期刊文獻:《細胞》

DOI: 10.1021/acsnano.8b09559

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