當你走在路上，你的大腦中各種電子和化學信號不斷閃現(xiàn)，要捕捉到這些物質飛逝的路徑需要一臺高速攝像機和一扇進入大腦的窗戶。

加州大學伯克利分校的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)制造出這樣一種照相機：一種顯微鏡，能夠以每秒成像1000次的速度捕捉處于警戒狀態(tài)的老鼠的大腦，第一次記錄了毫秒電脈沖通過神經(jīng)元的過程。

加州大學伯克利分校物理學、分子生物學和細胞生物學副教授Na Ji說：“這真的很令人興奮，因為我們現(xiàn)在能夠做一些人們以前真的做不到的事情?！?。

新的成像技術將雙光子熒光顯微鏡和全光激光掃描技術結合在一個最先進的顯微鏡中，這種顯微鏡能夠以每秒3000次的速度對穿過小鼠大腦皮層的二維切片進行成像。它的速度足以追蹤流經(jīng)大腦回路的電信號。

有了這項技術，神經(jīng)科學家們現(xiàn)在可以在電信號通過大腦時對其進行計時，尋找與疾病相關的傳播問題。

這項技術的一個關鍵優(yōu)勢是，它將使神經(jīng)科學家能夠追蹤任何特定腦細胞從其他腦細胞（包括那些不會觸發(fā)發(fā)電的細胞）接收到的數(shù)百到數(shù)萬個輸入。這些亞閾值的輸入——刺激或抑制神經(jīng)元——逐漸累積到一個高潮，觸發(fā)細胞激發(fā)一個動作電位，將信息傳遞給其他神經(jīng)元。

從電極到熒光成像

典型的記錄大腦電活動的方法是，通過植入組織中的電極，當毫秒電壓變化通過時，檢測少數(shù)神經(jīng)元的電脈沖。這項新技術可以精確定位實際的放電神經(jīng)元，一毫秒一毫秒地跟蹤信號的路徑。

加州大學伯克利分校的Helen Wills說：“在疾病中，很多情況發(fā)生在我們能看見的閾值以外，我們從來沒有研究過疾病在閾下的變化?，F(xiàn)在，我們有一個處理這種問題的方法了?！?/p>

Ji和她的同事在《Nature Methods》雜志上報道了這種新的成像技術。同期雜志，她和其他同事還發(fā)表了另一篇論文，展示了一種不同的技術，可以同時對小鼠大腦整個半球的大部分區(qū)域進行鈣信號成像，這種技術使用了結合雙光子成像和Bessel聚焦掃描的寬視場“介觀（mesoscope）”。

當信號通過大腦傳輸時，鈣濃度與電壓變化有關。

“這是第一次有人在三維空間同時展現(xiàn)出如此大范圍的大腦神經(jīng)活動，這遠遠超出了電極所能做的?！边@種方法能夠解析每個神經(jīng)元的突觸。

Ji的目標之一是了解神經(jīng)元如何在大腦大區(qū)域內相互作用，最終定位與大腦疾病相關的疾病回路。

“在包括神經(jīng)退行性疾病在內的大腦疾病中，患病的不僅僅是單個神經(jīng)元或少數(shù)神經(jīng)元，”Ji說?！八裕绻阏娴南肓私膺@些疾病，你就要能夠在不同的大腦區(qū)域觀察盡可能多的神經(jīng)元。通過這種方法，我們可以更全面地了解大腦中正在發(fā)生的事情。”

雙光子顯微鏡

Ji和她的同事能夠窺視大腦，這得益于探針可以固定在特定類型的細胞上，并在環(huán)境變化時變成熒光。例如，為了跟蹤神經(jīng)元中的電壓變化，她的研究小組使用了斯坦福大學（Stanford University）Michael Lin開發(fā)的一種傳感器，當電壓信號沿著細胞膜傳播時，當細胞膜去極化時，該傳感器就會變成熒光。

然后研究人員用雙光子激光照射這些熒光探針，如果它們被激活，就會發(fā)出光或熒光。發(fā)射的光被顯微鏡捕獲并合成二維圖像，該圖像顯示電壓變化的位置或特定化學物質的存在，例如信號離子“鈣”。

通過在大腦上快速掃描激光，科學家們就像拿著一個手電筒逐漸揭示黑暗房間內的場景。研究小組用一個光學反射鏡替換激光的兩個旋轉反射鏡中的一個，能夠每秒對一個大腦層進行1000到3000次全二維掃描，這種技術被稱為“自由空間角度線性調頻增強延遲（FACED）”，由香港大學的Kevin Tsia開發(fā)。

千赫成像不僅顯示了毫秒級的電壓變化，而且還顯示了更為緩慢的鈣和谷氨酸（一種神經(jīng)遞質）的濃度變化，這些濃度變化來自距離大腦表面深至350微米（1/3毫米）的區(qū)域。

Ji現(xiàn)在正在研究結合四種技術——雙光子熒光顯微鏡、Bessel光束聚焦、FACED和自適應光學——來展現(xiàn)大腦皮層深處約1毫米厚的高速、高靈敏度圖像。

“為了更好的了解大腦，我的夢想是結合這些顯微鏡技術，獲得亞微米空間分辨率，這樣我們就可以看到突觸，電壓成像的毫秒時間分辨率，并看到大腦深處的所有這些，”她補充說?！按竽X的復雜性和挑戰(zhàn)性在于，如果你只做一個單一的光學部分，在某種程度上你并不能得到完整的圖像，因為神經(jīng)網(wǎng)絡是非常三維的。”

原文檢索：Kilohertz two-photon fluorescence microscopy imaging of neural activity in vivo

（生物通：伍松）