捕捉大腦活動的復(fù)雜性需要分辨率、規(guī)模和速度——能夠以水晶般清晰的分辨率可視化數(shù)百萬個神經(jīng)元，因?yàn)樗鼈冊趲追种幻雰?nèi)從皮層的遙遠(yuǎn)角落主動呼喚。
現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種顯微鏡技術(shù)，可以讓科學(xué)家們完成這一壯舉，以前所未有的清晰度高速捕捉大腦不同深度的大量細(xì)胞活動的詳細(xì)圖像。該研究發(fā)表在Nature Methods 上，展示了第一部生動的功能電影，展示了小鼠大腦中 100 萬個神經(jīng)元幾乎同時(shí)活動的影像，展示了這項(xiàng)被稱為光珠顯微鏡的創(chuàng)新的力量。
洛克菲勒的 Alipasha Vaziri 說：“要了解大腦密集互連網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，需要開發(fā)新的成像技術(shù)，以高速和單細(xì)胞分辨率捕獲大量分離的大腦區(qū)域中神經(jīng)元的活動�！� “光珠顯微鏡將使我們能夠以前所未有的方式研究生物學(xué)問題。”
專注于顯微鏡
無論是通過來回輕彈來尋找危險(xiǎn)的胡須，還是幫助人類擊球的手眼協(xié)調(diào)，動物都依賴于大腦的感覺、運(yùn)動和視覺區(qū)域的調(diào)用和反應(yīng)。來自皮層遠(yuǎn)端的細(xì)胞通過神經(jīng)活動網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)這一壯舉，該網(wǎng)絡(luò)將大腦的遙遠(yuǎn)區(qū)域編織成相互關(guān)聯(lián)的交響樂。
在尖端顯微鏡技術(shù)的幫助下，科學(xué)家們現(xiàn)在才剛剛開始解開這個網(wǎng)絡(luò)。雙光子掃描顯微鏡和熒光標(biāo)簽的組合是對不太透明的腦組織內(nèi)的神經(jīng)元活動進(jìn)行成像的黃金標(biāo)準(zhǔn)，這些腦組織容易散射光。它涉及向標(biāo)記目標(biāo)發(fā)射聚焦激光脈沖。在脈沖達(dá)到其標(biāo)記后幾納秒，標(biāo)簽會發(fā)出熒光，可以通過解釋讓科學(xué)家了解檢測到的神經(jīng)活動水平。
但是雙光子顯微鏡有一個基本的限制。神經(jīng)生物學(xué)家需要同時(shí)記錄大腦的感覺、運(yùn)動和視覺區(qū)域之間的相互作用，但很難在不犧牲分辨率或速度的情況下捕捉如此廣泛的大腦區(qū)域的活動。
小鼠大腦中一百萬個神經(jīng)元的神經(jīng)活動，以前所未有的分辨率。圖片來源：Alipasha Vaziri。
設(shè)計(jì)一個理想的顯微鏡來可視化相距很遠(yuǎn)的大腦區(qū)域之間的相互作用，感覺就像在沉沒的船上堵住洞一樣。為了獲得高分辨率，科學(xué)家們通常必須犧牲尺度——或者以分辨率為代價(jià)縮小以獲取更大的結(jié)構(gòu)。這可以通過分別從大腦的遙遠(yuǎn)角落拍攝一系列高分辨率圖像，然后將它們拼接在一起來克服。但隨后速度成為一個問題。
“我們需要以高分辨率同時(shí)捕獲大腦遠(yuǎn)處部分的許多神經(jīng)元，”Vaziri 說。“這些參數(shù)幾乎是相互排斥的。”
創(chuàng)新的解決方案
光珠顯微鏡提供了一種創(chuàng)造性的解決方案，并將成像速度的極限推到了最大程度——僅受熒光本身物理性質(zhì)的限制。這是通過在沒有記錄到神經(jīng)活動且同時(shí)不需要掃描時(shí)消除連續(xù)激光脈沖之間的“死區(qū)時(shí)間”來實(shí)現(xiàn)的。
該技術(shù)包括將一個強(qiáng)脈沖分解為 30 個較小的子脈沖——每個子脈沖的強(qiáng)度不同——它們潛入 30 個不同深度的散射小鼠大腦，但在每個深度誘導(dǎo)相同數(shù)量的熒光。這是通過一個反射鏡腔來實(shí)現(xiàn)的，該反射鏡在時(shí)間上錯開每個脈沖的發(fā)射，并確保它們都可以通過單個顯微鏡聚焦鏡頭到達(dá)目標(biāo)深度。使用這種方法，可以記錄樣本的速度的唯一限制是熒光標(biāo)簽閃光所需的時(shí)間。這意味著可以在傳統(tǒng)雙光子顯微鏡僅捕獲少量腦細(xì)胞的同一時(shí)間內(nèi)記錄大腦的大片區(qū)域。
Vaziri 及其同事隨后將光珠顯微鏡整合到一個顯微鏡平臺中進(jìn)行測試，該平臺允許光學(xué)訪問大腦容量，從而能夠記錄小鼠大腦整個皮層中超過一百萬個神經(jīng)元的活動，以便第一次。
由于 Vaziri 的方法是建立在兩個光子顯微鏡基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，因此許多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)擁有或可以商業(yè)獲得執(zhí)行光珠顯微鏡所需的技術(shù)，如論文中所述。不太熟悉這些技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室可以從 Vaziri 目前為更廣泛使用而開發(fā)的簡化的、獨(dú)立的模塊中受益�！拔迥昵拔覀儧]有這樣做，沒有充分的理由，”他說�！斑@本來是可能的——顯微鏡和激光技術(shù)存在。沒有人想到這一點(diǎn)�！�
最終，目標(biāo)是補(bǔ)充而不是取代當(dāng)前的技術(shù)�！皹�(biāo)準(zhǔn)雙光子顯微鏡足以解決一些神經(jīng)生物學(xué)問題，”Vaziri 說�！暗枪庵轱@微鏡使我們能夠解決現(xiàn)有方法無法解決的問題�！�
