【Nature子刊】前所未有的清晰和高速：新的显微镜技术首次记录了100多万个神经元在整个小鼠大脑皮层的活动

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作者：Daisy

导读：最近，刊登在《Nature Methods》上的一项新研究发现，建立在双光子显微镜基础上的一项创新型显微镜技术——“光珠显微镜”，以前所未有的清晰度和高速，首次揭示了老鼠大脑中一百多万个神经元的活动。

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，使科学家能够完成这一壮举。以前所未有的清晰度，高速在大脑不同深度捕捉大量细胞活动的详细图像。这项研究发表在《Nature Methods》杂志上，研究人员发表了一篇题为“High-speed, cortex-wide volumetric recording of neuroactivity at cellular resolution using light beads microscopy”的文章。通过展示100多万个神经元几乎同时在小鼠大脑中活动的第一部生动的“功能电影”，呈现了这项被称为“光珠显微镜”（LBM)的创新的力量。

洛克菲勒的Alipasha Vaziri说：“要了解大脑紧密相连的网络的本质，就需要开发新的成像技术，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。光珠显微镜，将使我们能够以一种以前不可能的方式研究生物学问题。”

聚焦于显微镜

无论是胡须通过来回摆动寻找危险，还是手眼协调帮助人类打棒球，动物都依赖于大脑感觉、运动和视觉区域的呼叫和反应。大脑皮层远端的细胞通过神经活动网协调这一壮举，神经活动网将大脑远处的区域编织成相互连接的“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透明度较低的脑组织中神经元活动的金标准，因为这些脑组织容易散射光。它包括向被标记的目标发射聚焦的激光脉冲。脉冲击中目标几纳秒后，标记发出荧光，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。神经生物学家需要同时记录大脑感觉、运动和视觉区域之间的相互作用，但在不牺牲分辨率或速度的情况下，很难捕捉到如此广泛的大脑区域的活动。

设计一个理想的显微镜来观察相距遥远的大脑区域之间的相互作用，感觉就像是在沉船上堵住了孔。为了获得高分辨率，科学家通常必须牺牲尺度或缩小以获取更大的结构，而这是以分辨率为代价的。这可以通过分别从大脑遥远的角落捕捉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：“我们需要以高分辨率同时捕获大脑远端的许多神经元。这些参数几乎是相互排斥的。”

一项创新的解决方案

光珠显微镜提供了一个创造性的解决方案，将成像速度的极限发挥到了最大限度——仅受荧光本身物理性质的限制。这是通过在没有记录神经活动的情况下，消除连续激光脉冲之间的“死区时间”，同时需要扫描。

这项技术包括将一个强脉冲分成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个不同深度的散射老鼠大脑，但在每个深度诱导相同数量的荧光。这是通过一个反射镜腔体来实现的，该腔体使每个脉冲的发射时间错开，并确保它们都可以通过一个显微镜聚焦透镜到达目标深度。使用这种方法，记录样本的速度的唯一限制是荧光标记发光的时间。这意味着，在传统的双光子显微镜只需捕获少量脑细胞的同时，就可以记录大脑的大片区域。

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型脑容量，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。利用LBM，展示了小鼠皮层多尺度的介观和体积成像，以及更高的速度（9.6 Hz）亚细胞分辨率体积记录。总的来说，LBM提供了一个机会来发现哺乳动物大脑皮层范围内信息编码和处理的神经计算基础。

由于Vaziri的方法是建立在双光子显微镜基础上的一项创新，许多实验室已经拥有或可以从商业上获得进行光珠显微镜所需的技术。不太熟悉这些技术的实验室可以从一个简化的、自包含的模块中获益，Vaziri目前正在为更广泛的使用而开发该模块。Vaziri说：“我们没有理由在五年前不这么做，显微镜和激光技术有可能已经存在。但没有人想到这一点。”

Vaziri说：“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。但光珠显微镜使我们能够解决现有技术无法解决的问题。”

参考资料：

https://medicalxpress.com/news/2021-08-microscopy-technique-reveals-million-neurons.html

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。

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