《Nature Methods》一种可达单细胞分辨率的头戴式微型三光子纤维镜

【字体: 时间:2020年05月22日 来源:

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  德国Caesar研究中心(一个神经行为学研究所)的科学家在《Nature Methods》发文,他们开发出一种小型的头戴式显微镜,可以深入大脑的内部工作。这个新系统能够测量一个行为自由的动物位于深皮质层的神经元群的活动,并且具有单细胞分辨率。

  

德国Caesar研究中心(一个神经行为学研究所)的科学家在《Nature Methods》发文,他们开发出一种小型的头戴式显微镜,可以深入大脑的内部工作。这个新系统能够测量一个行为自由的动物位于深皮质层的神经元群的活动,并且具有单细胞分辨率。

了解动物如何利用大脑回路产生对环境的反应是神经科学的中心目标之一。虽然通过观察动物如何解决问题来研究动物的行为是可能的,但要了解大脑在产生行为中的作用,必须同时测量大脑回路活动。

当然,活体成像在生物学上并不是什么新鲜事:它可以追溯到显微术的最初阶段。为了观察大脑内部,科学家使用特殊的显微镜,透过组织来观察工作中的神经回路。使用显微镜对神经活动进行成像具有相对非侵入性的优点。显微镜安装在大脑外部,只不过是将光送入大脑,然后接收从大脑发出的光。由于传统显微镜太重,无法从自由活动的动物身上进行功能成像,过去几年里,科学家们在研发头戴式微型显微镜方面付出了巨大努力。

2009年,Jason Kerr的小组与马克斯普朗克神经生物学研究所(Martinsried)的Winfried Denk小组合作,建立了一个小型化的头戴多光子显微镜。它能记录清醒、自由活动的大鼠视觉皮层上几层神经元群的活动。虽然这种“双光子纤维镜”是测量自由行为动物大脑活动的一项突破,但大部分皮层仍然遥不可及。为了在细胞水平上成像大脑皮层的深层,需要一种新的方法。

Kerr的研究小组与Max Planck光科学研究所的Philip Russell的研究小组合作,开发了一种小型头戴多光子显微镜,能够对自由移动的大鼠的所有皮质层进行成像。光通过定制设计和制造的玻璃纤维传递,利用“三光子效应”成像位于大脑皮层深层的神经元活动。与双光子或单光子荧光显微镜相比,三光子显微镜更适合于对散射组织的深层成像,并且能够对组织深层的单个细胞进行更清晰的成像。新显微镜允许在长时间内连续成像神经元群,即使当动物运行或执行复杂的行为任务时也是如此。

研究人员预计纤维镜将广泛应用于行为研究,因为以前的显微镜成像深度有限,不适合长时间使用,限制了可以观察到的行为类型。有了这种新方法,研究人员现在能够理解神经计算的复杂网络动力学,进而形成感知和行为的基础。

原文检索:Three-photon head-mounted microscope for imaging deep cortical layers in freely moving rats

(生物通:伍松)

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