高速顯微鏡捕捉短暫的大腦信號(hào)

當(dāng)我們穿越世界時(shí)，電和化學(xué)信號(hào)在我們的大腦中不斷閃爍，但這需要一個(gè)高速攝像機(jī)和一個(gè)進(jìn)入大腦的窗口來捕捉它的短暫路徑。

加州大學(xué)伯克利分校的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)創(chuàng)造了這樣一個(gè)攝像頭：顯微鏡，每秒鐘可以對(duì)報(bào)警老鼠的大腦成像1000次，并首次記錄毫秒電脈沖通過神經(jīng)元的時(shí)間。

加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)、分子和細(xì)胞生物學(xué)副教授納吉說：“這真的很令人興奮，因?yàn)楝F(xiàn)在我們可以做一些以前人們真的做不到的事情?！?

這種新的成像技術(shù)結(jié)合了雙光子熒光顯微鏡和全光學(xué)激光掃描技術(shù)，可以通過小鼠大腦新皮層以每秒3000次的速度對(duì)二維切片進(jìn)行成像。這個(gè)速度足以追蹤流經(jīng)大腦回路的電信號(hào)。

有了這項(xiàng)技術(shù)，像紀(jì)這樣的神經(jīng)科學(xué)家現(xiàn)在可以記錄電信號(hào)通過大腦傳輸時(shí)的情況，最終找出與疾病相關(guān)的傳輸問題。

這項(xiàng)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)之一是，它將使神經(jīng)科學(xué)家能夠跟蹤任何給定腦細(xì)胞從其他腦細(xì)胞(包括那些不觸發(fā)該細(xì)胞的腦細(xì)胞)接收的數(shù)百至數(shù)萬個(gè)輸入。這些閾下輸入——刺激或抑制神經(jīng)元——逐漸累積，觸發(fā)細(xì)胞刺激動(dòng)作電位，并將信息傳遞給其他神經(jīng)元。

從電極到熒光成像

當(dāng)毫秒電壓變化過去時(shí)，通過嵌入組織的電極記錄大腦電擊的典型方法只能檢測(cè)到少數(shù)神經(jīng)元的斑點(diǎn)。新技術(shù)可以精確定位實(shí)際觸發(fā)神經(jīng)元，并根據(jù)信號(hào)路徑逐毫秒移動(dòng)。

加州大學(xué)伯克利分校海倫威爾斯神經(jīng)科學(xué)研究所的成員季說：“在疾病中，許多事情在你看到神經(jīng)元興奮之前就已經(jīng)發(fā)生了?！薄拔覀儚奈囱芯窟^閾下輸入會(huì)如何改變疾病。現(xiàn)在，我們有能力解決這個(gè)問題。”

季和她的同事在3月份的《自然方法》雜志上報(bào)道了這種新的成像技術(shù)。在同一期雜志上，她和其他同事還發(fā)表了一篇論文，展示了一種不同的技術(shù)，可以同時(shí)對(duì)整個(gè)小鼠大腦半球的鈣信號(hào)進(jìn)行成像，其中一種技術(shù)使用的是視野開闊的“顯微鏡”，而后者使用的是兩種光子成像和貝塞爾聚焦掃描。當(dāng)信號(hào)通過大腦傳輸時(shí)，鈣濃度與電壓變化有關(guān)。

季說：“這是第一次有人在三維空間中表現(xiàn)出如此大量的大腦神經(jīng)活動(dòng)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電極的能力?！?此外，我們的成像方法使我們能夠分析每個(gè)神經(jīng)元的突觸."

突觸是一個(gè)神經(jīng)元釋放神經(jīng)遞質(zhì)來刺激或抑制另一個(gè)神經(jīng)元的地方。

紀(jì)的目標(biāo)之一是了解大腦大面積區(qū)域的神經(jīng)元是如何相互作用的，最終找到與腦部疾病相關(guān)的疾病回路。

季說：“在包括神經(jīng)退行性疾病在內(nèi)的腦部疾病中，患病的不僅僅是一個(gè)神經(jīng)元或幾個(gè)神經(jīng)元。”“因此，如果你真的想了解這些疾病，你希望在不同的大腦區(qū)域看到盡可能多的神經(jīng)元。這樣，我們就可以對(duì)大腦中發(fā)生的事情有更全面的了解。”

雙光子顯微鏡

紀(jì)和她的同事能夠監(jiān)視他們的大腦，這要?dú)w功于探針可以固定在特定類型的細(xì)胞上，并且可以在環(huán)境變化時(shí)發(fā)出熒光。例如，為了跟蹤神經(jīng)元的電壓變化，她的團(tuán)隊(duì)使用了斯坦福大學(xué)合著者林世煜開發(fā)的傳感器。當(dāng)電壓信號(hào)沿細(xì)胞膜傳播，細(xì)胞膜去極化時(shí)，傳感器會(huì)發(fā)出熒光。

然后，研究人員使用雙光子激光照射這些熒光探針。如果它們被激活，就會(huì)發(fā)出光或熒光。發(fā)射的光被顯微鏡捕獲，并結(jié)合成2D圖像，顯示電壓變化的位置或特定化學(xué)物質(zhì)(如信號(hào)離子鈣)的存在。

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