微型植入式脑活动光片成像新工具

对自由活动动物的大脑活动进行光学成像的工具在扩大对大脑的科学理解方面具有相当大的潜力。然而，现有的用光成像大脑活动的技术面临挑战。一个国际科学家团队已经开发出一种植入式探针，用于大脑的光片成像。

　　

让神经科学家记录和量化活体大脑功能活动的工具需求量很大。传统上，研究人员使用功能磁共振成像等技术，但这种方法不能以高空间分辨率或在运动物体中记录神经活动。近年来，一种名为“光遗传学”的技术在以单神经元分辨率实时记录动物神经活动方面取得了相当大的成功。光遗传学工具利用光来控制神经元，并记录组织中的信号，这些组织经过基因改造后可以表达光敏和荧光蛋白。然而，现有的大脑光信号成像技术在尺寸、成像速度、以及，一种名为光片荧光成像的技术显示了以高速度和高对比度（克服其他成像技术的多重限制）对大脑活动进行三维成像的前景。在这项技术中，一片薄薄的激光（光片）被引导穿过感兴趣的脑组织区域，脑组织内的荧光活性报告者通过发射显微镜可以检测到的荧光信号作出反应。扫描组织中的光片可以实现对大脑活动的高速、高对比度、体积成像。

目前，由于所需仪器的尺寸，使用非透明生物体（如老鼠）的光片荧光脑成像是困难的。为了使实验在非透明动物身上进行，并在将来使自由活动的动物成为可能，研究人员首先需要将许多部件小型化。

小型化的一个关键部件是光片发生器本身，它需要插入大脑，因此必须尽可能小，以避免移位太多的脑组织。在《神经光子学》杂志上报道的一项新研究中，来自美国加州理工学院（California Institute of Technology）、加拿大多伦多大学（University of Toronto）、加拿大大学健康网络（University Health Network）、德国马克斯普朗克微观结构物理研究所（Max Planck Institute of Microstructure Physics）的国际研究团队，Advanced Micro Foundry（新加坡）开发了一种微型光片发生器或光子神经探针，可以植入活体动物的大脑。

研究人员利用纳米光子技术制造出超薄的硅基光子神经探针，这种探针可以发射多个厚度可寻址的薄片光&lt；在300微米的自由空间中传播16微米。当在老鼠的脑组织中进行测试时，通过基因工程在老鼠的大脑中表达荧光蛋白，这些探针使研究人员能够对多达240？m&times；490？m、 此外，图像对比度的水平要优于另一种称为荧光显微术的成像方法。

该研究的主要作者韦斯利·萨彻（Wesley Sacher）在描述他的团队工作的意义时说，“这种用于在大脑内生成光片的新型植入式光子神经探针技术绕过了许多问题限制了光片荧光成像在实验神经科学中的应用。我们预测，这项技术将导致用于脑深部成像和自由活动动物行为实验的光片显微镜的新变体。”

这种变体将有助于神经科学家了解大脑的工作原理

Journal Reference:

1. Wesley D. Sacher, Fu-Der Chen, Homeira Moradi-Chameh, Prajay Shah, Ilan Felts Almog, Youngho Jun, Youngho, Ting Hu, Junho Jeong, Andres M. Lozano, Taufik A. Valiante, Laurent C. Moreaux, Joyce K. Poon, Michael L. Roukes, Xianshu Luo, Anton Fomenko, Thomas Lordello, Xinyu Liu, John N. Straguzzi, Trevor M. Fowler, Patrick Lo. Implantable photonic neural probes for light-sheet fluorescence brain imaging. Neurophotonics, 2021; 8 (02) DOI: 10.1117/1.NPh.8.2.025003