展現神經活動3D影像的新型顯微鏡技術

? ? 國外媒體報道，近日美國麻省理工學院和奧地利維也納大學的研究學者創造了一個新型顯微鏡光學成像系統，能夠揭示活體生物大腦里的神經活動。這項技術首次實現了產生整個大腦的3D動畫，它將幫助科學家研究神經元網絡是如何處理感官信息從而產生行為的。?

??? 研究小組利用新的系統同時對秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans ）的每一個神經元活動以及斑馬魚幼蟲的整個大腦進行成像，從而提供了神經元系統活動更加完整的圖片。??
??? “觀察大腦里一個神經元的活動并不能為你展示大腦是如何處理信息的，你需要知道上一個神經元的活動。而為了理解一個特定神經元活動的意義，你又必須知道下一個神經元的活動。”美國麻省理工學院大腦、認知科學和生物工程學副教授埃德·博伊登(Ed Boyden)這樣說道。簡言之，如果你想要了解感官信息是如何集合并形成行為的，你必須了解整個大腦的活動。
??? 而Zui新的這個方法將幫助神經科學家了解更多有關大腦紊亂的生物學基礎。“我們并不知道大腦紊亂所涉及的特定細胞集。” 博伊登說道。“調查整個神經系統的活動或可以幫助確定大腦紊亂所涉及的細胞或者網絡，從而產生治療方法的新觀點。”博伊登帶領的研究小組與維也納大學的研究人員合作提出了一種描繪大腦的新方法。
??? 神經元利用名為放電特性(Action Potentials, APs)的電子脈沖可以編碼信息——感官數據、情緒狀態和思想，這種電子脈沖會刺激鈣離子流入每一個細胞。通過注入與鈣結合時會發光的熒光蛋白，科學家們能夠將神經元的發射可視化。然而，在此之前一直無法實現對這些神經元活動進行高速的大范圍3D成像。
??? 利用激光束掃描大腦可以產生神經元互動的3D圖像，但捕捉這樣的圖片需要耗費大量的時間，因為每一個點都必須單獨掃描。麻省理工學院的研究小組希望獲得相似的3D成像，但加速這一過程從而實現觀測神經元的發射很困難，后者一般發生的非常快，只有幾毫秒的時間。
??? Zui新的方法是基于一種被廣泛應用的名為光場成像(light-field imaging)的技術，通過測量進來光線的角度從而創造3D圖像。研究首席作者、美國麻省理工學院媒體藝術與科學的副教授拉梅什·拉斯卡（Ramesh Raskar）一直都在研究這種3D成像技術。在此之前其它科研小組已經研發了運行光場成像的顯微鏡，而在這項Zui新的研究里，研究人員將這種光場顯微鏡Zui優化并將其首次應用于神經元活動成像。
??? 利用這種顯微鏡，樣本釋放的光被發送經過透鏡陣列，后者會在不同的方向折射光。樣本的每個點大約會產生400多個不同的光的點，利用電腦算法將這些點重新結合便可以再現3D結構。“如果樣本里有一個釋放光的分子，傳統顯微鏡會將它重新聚焦在單一的點上，但我們的透鏡陣列可以將光投射在很多點上，由此你可以推測出這個分子所處的三維位置。” 博伊登說道。
??? 奧地利維也納大學的博士后羅伯特·普雷韋代爾（Robert Prevedel）建造了這個顯微鏡，而這項研究的研究首席作者、美國麻省理工學院的研究生楊奎尹（Young-Gyu Yoon）修改了電腦算法從而重建了3D圖像。
??? 美國哈佛大學的物理學家教授艾拉文森·塞繆爾（Aravinthan Samuel）表示這種方法看起來“非常有前景”，它能夠加速對移動活體生物進行3D成像，從而將它們的神經元活動與行為相聯系。“這項研究Zui令人印象深刻的方面在于這是一種非常簡單的方法，”塞繆爾說道，他并未參與這項研究，“我可以想像很多實驗室都可以應用這種方法。”
??? 研究人員利用這種技術實現了秀麗隱桿線蟲的神經活動成像，這是唯一一個整個神經線路圖都已知的生物。這種1毫米長的蠕蟲有302個神經元，當它執行自然行為時，例如爬行，研究人員能夠對每個神經元進行成像。他們還觀察到這種生物對感官刺激（如氣味）所產生的神經反應。
??? 博伊登稱，光場顯微鏡的缺點是它的分辨率不如緩慢掃描樣本技術那么好。但目前的分辨率足夠高，可以看到單個神經元的活動，研究人員仍在努力改進，使得顯微鏡也能用于對某些神經元部分進行成像，例如從神經元主體上分支出來的長樹突。他們還希望加快計算過程，目前分析一秒鐘的成像數據需要幾分鐘時間。
??? 研究人員還計劃將這一技術與光學遺傳學相結合，通過將光照射在表達光敏感蛋白的細胞表面，從而控制神經元的發射。通過用光刺激神經元，并觀察大腦中其它區域的活動，科學家可以確定哪些神經元參與了特定活動。這項研究被發表在5月18日的期刊《自然-方法》(Nature Methods)上。
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