神经科学家利用超薄纤维内窥镜研究神经元通讯

　　

为了研究神经元结构的活动以及神经细胞之间的相互作用，需要提供精细的深部脑组织图像的微创技术。莱布尼茨工业技术研究所(Leibniz IPHT)参与的一个国际团队开发了一种新的毛发细的内窥镜，有望进行极其温和的深入观察，并提供了非常详细地研究大脑区域和研究严重神经元疾病的发病和进展的潜力。

该仪器有望帮助神经科学家确定对抗这些使人衰弱的疾病的新策略。研究人员在《Nature Communications》杂志上发表了他们的研究结果。

神经疾病，如自闭症、癫痫、阿尔茨海默病或帕金森病，仍然知之甚少。因此，预防、治疗或减轻这些疾病仍然是一项重大挑战。为了更好地了解这些疾病的原因和起源，并开发和监测量身定制的治疗方法，破译和研究受影响的神经细胞是如何在整个生物体的自然复杂性中表现出来的，这一点很重要。这些神经细胞通常位于大脑的非常深的结构中。

神经科学家在小动物模型中研究这些情况，并利用微创内窥镜技术研究脑深部结构。为此，位于德国耶拿的莱布尼茨光子技术研究所(莱布尼茨IPHT)的科学家们正在与位于捷克共和国布尔诺的捷克科学院科学仪器研究所的复杂光子学团队合作，研究一种基于光纤的新方法。

细如头发的微型内窥镜

内窥镜的直径只有110微米，大约和人类的头发一样细，能够在前所未有的组织深度和亚细胞水平上获取图像。这不仅可以研究以前难以进入的深层大脑结构，还可以精确研究大脑中单个神经元的神经元连接和信号活动。

“内窥镜系统的核心是一根超薄的光学玻璃纤维，用作探针。使用数字全息术，我们可以用它来成像和可视化单个细胞和血管具有高分辨率，无失真和高对比度。这种毛发般细的内窥镜设计能够在不损伤周围组织的情况下进行极度无创伤的体内检查，”莱布尼茨理工学院纤维研究和技术研究部门负责人说。

在体内神经科学研究中使用的传统内窥镜解决方案通常使用专门的杆透镜(GRIN)，它将图像从一端传递到另一端。由于它们的足迹，它们可能造成很大的组织损伤风险，严重影响神经科学研究的有效性。新开发的全息内窥镜通过使用单个多模光纤作为成像探针克服了这一缺点，使其成为可视化大脑敏感区域侵入性最小的方法。

研究人员还开发了一种新型的纤维探针，一种所谓的侧视探针，可以观察垂直于纤维轴的组织。通过这种方式，与使用传统的裸端探针相比，将内窥镜插入组织中被成像的组织受到的压力和损伤要小得多。由于探针提供了深入组织的潜力，侧视探头也提供了将沿途拍摄的单个帧拼接成全景图像的可能性，从而允许对大脑的整个深度进行连续观察。

除了直接观察神经元之间的结构连接，特别是树突棘(从树突中出现的微观结构)，还可以用开发的内窥镜溶液观察细胞内过程。亚细胞结构的动力学、细胞内钙浓度的变化(与神经细胞的信号活动密切相关)以及单个血管的血流速度都可以被研究。所有这些特性都可以为神经科学家提供大脑病理变化的指示。

在神经性疾病中，受影响机体的认知和运动能力可能因神经细胞的改变或丧失而受到不可逆转的限制。我们正在开发监测疾病征兆的技术，例如，在早期阶段通过改变神经元通讯。借助这些新的强大的基于光的仪器，我们可以以高图像质量帮助提供对重要功能控制中心的前所未有的见解，从而扩大对神经元疾病的理解。