Nature Methods公布2018年度技术

【字体: 时间:2018年12月29日 来源:生物通

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  无限制动物的神经元成像扩展了几种模式生物的神经环路水平研究的范围。

  

生物通报道:岁末,Nature Methods年度技术出炉——无限制行为动物成像(Imaging in freely behaving animals)。

入选理由为:成像技术和荧光传感器的技术进步帮助科学家们更加详细分析动物各种行为背后的神经元活动,这些动物包括大鼠,小鼠,鱼,果蝇和线虫。

一般来说,受限制动物有利于实验人员对其受试动物的感觉环境进行精确控制,例如研究视觉引导或嗅觉引导的行为。然而,受限制动物对于研究更复杂的行为,特别是社会行为方面就会有局限性。近年来的技术发展实现了在自由行为的动物中对神经元活动成像,这能帮助科学家研究细胞,神经环路和全脑水平下的自然行为的神经元基础机制,因此被选为2018年度技术。

人脑包含了百亿级神经元和百万亿级的神经突触,其结构和功能上极其复杂精密的连接,涌现出意识和思想。目前各国脑科学计划的一个核心方向就是打造用于解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究工具。其中,如何整合微观神经元和神经突触活动与大脑整体的活动和个体行为信息是亟待解决的关键挑战。

近20年来,微型显微镜成为了观察小鼠和大鼠自由地进行自然行为的重要工具。虽然第一个微型显微镜相当重,只能用于大鼠,但通过后来进一步小型化,现在可以应用于小鼠,也不会对动物行为造成什么过度的不良影响。

近年来的发展更是进一步扩展了配合自由行为啮齿动物一起使用的成像模式。此外现在还有双光子或容积成像功能的微型显微镜。

微型显微镜现在被越来越多的实验室用于研究各种行为,如空间导航,睡眠和社交互动,甚至在绒猴(marmosets)中也被使用到。而且这些显微镜还可以帮助在动物模型中观察神经病理学状况的异常脑活动。Nature Methods的一篇文章也介绍了研究人员如何使用微型显微镜监测大脑活动,证明该技术已经被用于系统神经科学。

虽然通过微型显微镜对神经元活动成像可以研究社交或掠夺性行为,但这种技术还是可以为传统上在受限动物中研究的行为提供更多的机制见解。例如,微型显微镜技术避免了由rigid head restraint导致的混淆。

另外,尽管微型显微镜对许多啮齿动物的行为研究已经取得了不少宝贵的成果,但是这种技术并不能用于小型动物(如鱼类,果蝇和现场)的行为研究。近年来已经开发了一些跟踪显微镜,根据实施方式,它们可以用细胞分辨率对目标动物的整个神经系统进行程序。Nature Methods的一篇文章也探讨了这一问题。

最后,Nature Methods也指出虽然他们选择将无限制行为动物成像作为2018年度技术,但是更重要的是,行为研究不仅限于神经元活动的成像。此类研究还需要行为检测,从而将行为和神经元活动关联起来,进而可以操纵神经元活动,确定神经元环路中的因果关系。

研究人员通常通过捕捉动物行为的视频来监控行为。Nature Methods描述了一种名为LEAP的计算工具,可以通过跟踪果蝇和小鼠的身体部位进行详细的行为研究。研究人员应用LEAP来确定动物的姿势和步态。此外还有研究研发了配合线虫使用的一种压缩感知方法,识别控制运动速度的神经元。这种方法通过抑制重叠神经元组中的神经元活动,通过行为数据,可以确定了用于控制速度的关键神经元。

另一方面,近年来在实现头部固定,或其它受限制动物的神经环路和行为的机械理解方面也取得了很大进展。现在的挑战将是设计和改进计算方法,从而能有效分析正在生成的大型数据集。但是,利用在无限制动物中对大脑活动进行成像的工具,以及将这些工具与复杂的行为分析和神经元操作相结合,未来几年内也许能在更复杂的行为研究中取得令人兴奋的进展。


中国学者的成就

2017年,北京大学多个研究单位联合中国人民解放军军事医学科学院组成跨学科团队,历经三年多的协同奋战,近期成功研制出新一代微型化双光子荧光显微镜。这是我国科学家首次在自由行动中的哺乳动物的学习和记忆发生过程中记录其神经活动。

“要理解大脑的奥秘,我们特别需要一种新的成像技术,能够在自由运动的动物上,看到单个神经元、单个信息处理单元的精准动态的变化。”北大分子医学研究所程和平院士介绍,新研制的显微镜体积小,重仅2.2克,适于佩戴在小动物头部,可实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。在大型动物上,还可望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。

研究团队主要成员、北大分子医学研究所研究员陈良怡说,给小鼠戴上这一显微镜后,研究团队经多次实验获取了小鼠在觅食、打斗、嬉戏等自由行为中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像。

这一相关成果以“Fast high-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freely behaving mice ”为题公布在Nature Methods上。

此外,国内在脑科学研究方面,今年也取得了多项重要成果,如非人灵长类模型,人类脑图谱等。

如中科院自动化所脑网络组研究中心蒋田仔团队经过6年的努力,联合国内外其它团队,成功绘制出全新的人类脑图谱:包括246个精细脑区亚区,以及脑区亚区间的多模态连接模式。

在此之前,学界最常用的脑图谱还是100多年前,德国神经科学家Brodmann在单个人的尸体组织标本上利用细胞构筑绘制的脑图谱。而蒋田仔等人的这项成果,不仅比传统的Brodmann图谱精细4~5倍,具有客观精准的边界定位,更重要的是,它还是首个宏观尺度上的活体全脑连接图谱。可以说,他们打破了延续100多年的传统脑图谱绘制思想,引入了全新的思想和方法。

(生物通:万纹)

原文链接:

Method of the Year 2018: Imaging in freely behaving animals

https://www.nature.com/articles/s41592-018-0292-8





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