Nature Methods以前所未有的分辨率捕捉大脑活动的复杂性

新的显微镜技术揭示了小鼠大脑中100万个神经元的活动。

　　

捕捉错综复杂的大脑活动需要分辨率、规模和速度——当数以百万计的神经元在不到一秒的时间内从大脑皮层的遥远角落主动发出信号时，我们就能以极其清晰的分辨率看到它们。

现在，研究人员已经开发出一种显微镜技术，可以让科学家们完成这一壮举，以前所未有的速度和清晰度，在大脑不同深度捕捉大量细胞活动的详细图像。发表在《Nature Methods》杂志上的这项研究展示了这种被称为光珠显微镜的创新的力量，通过展示第一个生动的功能性电影，展示了小鼠大脑中100万个神经元几乎同时进行的活动。

“要理解大脑紧密相连的网络的本质，需要开发新的成像技术，能够以高速和单细胞分辨率捕捉到分布广泛的大脑区域神经元的活动，”洛克菲勒的Alipasha Vaziri说。“光珠显微镜（light beads microscopy）将使我们能够以一种以前不可能的方式来研究生物学问题。”

聚焦显微镜

无论是通过来回摆动寻找危险的胡须，还是帮助人类击中棒球的手眼协调，动物都依赖于大脑的感觉、运动和视觉区域的呼叫和反应。来自大脑皮层远处的细胞通过一个神经活动网来协调这一壮举，这个神经活动网将大脑远处的区域编织成相互关联的交响乐。

在尖端显微镜技术的帮助下，科学家们现在才刚刚开始解开这张网。双光子扫描显微镜和荧光标记的结合是成像不透明脑组织神经元活动的金标准，这些脑组织容易散射光。它包括向标记的目标发射聚焦激光脉冲。在脉冲击中目标几纳秒后，标签发出荧光灯，科学家可以对其进行解读，从而了解检测到的神经活动水平。

但是双光子显微镜有一个基本的局限性。神经生物学家需要记录大脑的感觉、运动和视觉区域之间同时发生的互动，但在不牺牲分辨率和速度的情况下，很难捕捉到大脑如此广阔区域的活动。

设计一个理想的显微镜来可视化大脑各区域之间的互动，感觉就像在一艘沉船上堵洞。为了获得高分辨率，科学家们常常必须牺牲尺度——或者缩小图像以获取更大的结构，代价是牺牲分辨率。这可以通过分别从大脑的遥远角落拍摄一系列高分辨率图像，然后将它们拼接在一起来克服。但是速度成了一个问题。

Vaziri说:“我们需要同时以高分辨率捕捉大脑遥远部分的许多神经元。这些参数几乎是相互排斥的。”

一个创新的解决方案

光珠显微镜提供了一种创造性的解决方案，并将成像速度的极限推到可获得的最大限度——仅受荧光本身的物理性质的限制。这是通过消除连续激光脉冲之间的“死时间”，当没有神经活动被记录，同时需要扫描。

这项技术包括将一个强脉冲分解成30个较小的子脉冲——每个子脉冲的强度不同——这些子脉冲潜入30个不同深度的散射小鼠大脑，但在每个深度诱导相同数量的荧光。这是通过一个镜子腔来实现的，它交错地点燃每一个脉冲，并确保它们都能通过一个显微镜聚焦透镜到达目标深度。使用这种方法，样品记录速率的唯一限制是荧光标签发光的时间。这意味着可以在同一时间内记录大量的大脑区域，而传统的双光子显微镜只能捕捉到少量的脑细胞。

Vaziri及其同事随后将光珠显微镜集成到显微镜平台中进行测试，该平台允许光学访问大的大脑体积，从而首次记录了100多万个神经元在整个小鼠大脑皮层的活动。

由于Vaziri的方法是建立在双光子显微镜基础上的创新，许多实验室已经拥有或可以从商业上获得实施光珠显微镜所必需的技术，正如论文中所描述的那样。不太熟悉这些技术的实验室可以从Vaziri目前正在开发的更广泛使用的简化、独立模块中受益。“我们没有充分的理由在5年前不这么做，”他说。“这本来是可能的，因为显微镜和激光技术已经存在。没有人想到这一点。”

“最终，我们的目标是补充而不是取代现有技术。对于一些神经生物学问题，标准的双光子显微镜已经足够了，”Vaziri说。“但是光珠显微镜可以让我们解决现有方法无法解决的问题。”

“High-speed, cortex-wide volumetric recording of neuroactivity at cellular resolution using light beads microscopy” by Jeffrey Demas, Jason Manley, Frank Tejera, Kevin Barber, Hyewon Kim, Francisca Martínez Traub, Brandon Chen and Alipasha Vaziri, 30 August 2021, Nature Methods.
DOI: 10.1038/s41592-021-01239-8