《Nature Methods》高速显微镜捕捉短暂的脑信号

新技术允许追踪清醒小鼠的毫秒电压变化和钙信号。

　　

当你走在路上，你的大脑中各种电子和化学信号不断闪现，要捕捉到这些物质飞逝的路径需要一台高速摄像机和一扇进入大脑的窗户。

加州大学伯克利分校的研究人员现在已经制造出这样一种照相机：一种显微镜，能够以每秒成像1000次的速度捕捉处于警戒状态的老鼠的大脑，第一次记录了毫秒电脉冲通过神经元的过程。

加州大学伯克利分校物理学、分子生物学和细胞生物学副教授Na Ji说：“这真的很令人兴奋，因为我们现在能够做一些人们以前真的做不到的事情。”。

新的成像技术将双光子荧光显微镜和全光激光扫描技术结合在一个最先进的显微镜中，这种显微镜能够以每秒3000次的速度对穿过小鼠大脑皮层的二维切片进行成像。它的速度足以追踪流经大脑回路的电信号。

有了这项技术，神经科学家们现在可以在电信号通过大脑时对其进行计时，寻找与疾病相关的传播问题。

这项技术的一个关键优势是，它将使神经科学家能够追踪任何特定脑细胞从其他脑细胞（包括那些不会触发发电的细胞）接收到的数百到数万个输入。这些亚阈值的输入——刺激或抑制神经元——逐渐累积到一个高潮，触发细胞激发一个动作电位，将信息传递给其他神经元。

从电极到荧光成像

典型的记录大脑电活动的方法是，通过植入组织中的电极，当毫秒电压变化通过时，检测少数神经元的电脉冲。这项新技术可以精确定位实际的放电神经元，一毫秒一毫秒地跟踪信号的路径，。

加州大学伯克利分校的Helen Wills说：“在疾病中，很多情况发生在我们能看见的阈值以外，我们从来没有研究过疾病在阈下的变化。现在，我们有一个处理这种问题的方法了。”

Ji和她的同事在《Nature Methods》杂志上报道了这种新的成像技术。同期杂志，她和其他同事还发表了另一篇论文，展示了一种不同的技术，可以同时对小鼠大脑整个半球的大部分区域进行钙信号成像，这种技术使用了结合双光子成像和Bessel聚焦扫描的宽视场“介观（mesoscope）”。当信号通过大脑传输时，钙浓度与电压变化有关。

“这是第一次有人在三维空间同时展现出如此大范围的大脑神经活动，这远远超出了电极所能做的。”这种方法能够解析每个神经元的突触。。

Ji的目标之一是了解神经元如何在大脑大区域内相互作用，最终定位与大脑疾病相关的疾病回路。

“在包括神经退行性疾病在内的大脑疾病中，患病的不仅仅是单个神经元或少数神经元，”Ji说。“所以，如果你真的想了解这些疾病，你就要能够在不同的大脑区域观察尽可能多的神经元。通过这种方法，我们可以更全面地了解大脑中正在发生的事情。”

双光子显微镜

Ji和她的同事能够窥视大脑，这得益于探针可以固定在特定类型的细胞上，并在环境变化时变成荧光。例如，为了跟踪神经元中的电压变化，她的研究小组使用了斯坦福大学（Stanford University）Michael Lin开发的一种传感器，当电压信号沿着细胞膜传播时，当细胞膜去极化时，该传感器就会变成荧光。

然后研究人员用双光子激光照射这些荧光探针，如果它们被激活，就会发出光或荧光。发射的光被显微镜捕获并合成二维图像，该图像显示电压变化的位置或特定化学物质的存在，例如信号离子“钙”。

通过在大脑上快速扫描激光，科学家们就像拿着一个手电筒逐渐揭示黑暗房间内的场景。研究小组用一个光学反射镜替换激光的两个旋转反射镜中的一个，能够每秒对一个大脑层进行1000到3000次全二维扫描，这种技术被称为“自由空间角度线性调频增强延迟（FACED）”，由香港大学的Kevin Tsia开发。

千赫成像不仅显示了毫秒级的电压变化，而且还显示了更为缓慢的钙和谷氨酸（一种神经递质）的浓度变化，这些浓度变化来自距离大脑表面深至350微米（1/3毫米）的区域。

Ji现在正在研究结合四种技术——双光子荧光显微镜、Bessel光束聚焦、FACED和自适应光学——来展现大脑皮层深处约1毫米厚的高速、高灵敏度图像。

“为了更好的了解大脑，我的梦想是结合这些显微镜技术，获得亚微米空间分辨率，这样我们就可以看到突触，电压成像的毫秒时间分辨率，并看到大脑深处的所有这些，”她补充说。“大脑的复杂性和挑战性在于，如果你只做一个单一的光学部分，在某种程度上你并不能得到完整的图像，因为神经网络是非常三维的。”

原文检索：Kilohertz two-photon fluorescence microscopy imaging of neural activity in vivo

（生物通：伍松）