管中窥豹，实知全身 | 从神经元到认知：精确记录行为背后神经活动的技术

进入21世纪以来，神经科学实验研究的技术方法日新月异、层出不穷，此前受技术方法限制而不能开展的很多实验现在逐渐变成了可能。如何才能跟上最新的前沿进展？一篇匠心独到的综述论文可以帮助您用最短的时间掌握尽可能全面的信息。本期BME Frontiers为神经科学领域的小伙伴们带来的是由斯坦福大学Jun Ding（通讯）博士、Richard Roth博士合写的综述论文“From Neurons to Cognition: Technologies for Precise Recording of Neural Activity Underlying Behavior”。

文章紧扣现代神经科学这一大主题，暨以达到单个细胞的精度来解析大脑认知行为功能的基本机理，通过系统化分类讲述了目前已经可以应用的技术方法，并重点关注光和电这两种基本物理信号为依托的观测手段。文中图1（下图）首先列举了钙成像、电压敏感成像和电生理这三大门类方法；然后针对每一个门类，进一步讲述更为精细的具体技术方法，以及各个方法的优缺点和当前主流技术指标。本文还着重详细介绍了现代分子生物学方法如何与这些物理观测操控手段相结合，例如转基因荧光探针（不只限于钙离子敏感和电压敏感，也包括对各种神经递质特异敏感的探针）的使用方法。最后，作者们还介绍了在领域前沿受到高度关注的几项最新技术，包括：具有单细胞精度的全脑范围多位点同步记录；原位实时同步实现神经元活动观测与操控；将原本只适用于小鼠的技术拓展到包括灵长类动物在内的其他种类实验动物；以及长期持续观测同一批神经元以解析在学习过程中发生的神经可塑性变化。

原文链接：

https://spj.sciencemag.org/journals/bmef/2020/7190517/

编辑神叨叨

21世纪初的神经科学发展模式，在一定程度上几乎与20世纪初物理学发展模式雷同。基于最新发展起来的先进精密测量技术，科学家们能够在完整大脑中直接观测与认知与智能行为密切相关的神经细胞活动的精确时空信息。这些更加精准的实验即将对建立在较为粗糙的实验基础上的传统的认知智能理论产生革命性、颠覆性的影响。进一步来讲，基于这些精准实验结果重新建立的自然智能数学原理框架，将对人工智能技术也同样产生革命性、颠覆性的推动。可以毫不夸张的说，谁能更熟练的掌握这些实验技术，谁就能更快更好的破解大脑认知功能的奥秘。又或谁能率先开发出时空分辨更加精准、通量更高的神经观测技术，谁就能在这场究极大脑奥秘的竞赛中更容易占据先机。在这方面，不得不承认美国仍然在领跑全球，比如这篇综述所介绍的绝大多数的技术方法都是从美国的实验室率先发展起来的。以开发技术方法为主题导向的美国脑研究计划，促成并将继续保持美国在神经科学领域的这一领先优势。在此背景下，我国神经科学界应当如何面对这样的压力和挑战，我们的神经科学研究人员能否比美国同行们更好地运用这些技术方法来解决脑科学的重大问题，以及我国神经工程技术研究人员能否开发出更好的原创技术方法，这些都是值得我们深入思考和实践的问题。

END

往期推荐

About BME Frontiers

BME Frontiers(《生物医学工程前沿》)是中国科学院苏州生物医学工程技术研究所(SIBET CAS)与美国科学促进会(AAAS)/Science合作出版的开放获取国际学术期刊。期刊旨在为生物医学工程这一交叉学科提供一个高效的交流平台，以推动领域内的科学家、工程师和临床医学专家及时地交流，共同促进人类健康。关注在致病机理研究和疾病预防、诊断、治疗及评估方面取得的突破性进展，包括概念、设备、材料、组织、过程和方法。致力于报道临床前的基础研究、转化医学和临床研究的成果。

期刊网址：

https://spj.sciencemag.org/journals/bmef/

投稿网址：

https://www.editorialmanager.com/bmef/

欢迎各位同仁踊跃投稿！

点击下方“阅读原文”查看文章原文

点击“在看”，助力传播