高速顯微鏡捕捉短暫的大腦信號

當我們穿越世界時，電和化學信號在我們的大腦中不斷閃爍，但這需要一個高速攝像機和一個進入大腦的窗口來捕捉它的短暫路徑。

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

加州大學伯克利分校物理學、分子和細胞生物學副教授納吉說：“這真的很令人興奮，因為現(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次的速度對二維切片進行成像。這個速度足以追蹤流經(jīng)大腦回路的電信號。

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

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

從電極到熒光成像

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

加州大學伯克利分校海倫威爾斯神經(jīng)科學研究所的成員季說：“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^閾下輸入會如何改變疾病?，F(xiàn)在，我們有能力解決這個問題?！?

季和她的同事在3月份的《自然方法》雜志上報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)，可以同時對整個小鼠大腦半球的鈣信號進行成像，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。當信號通過大腦傳輸時，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，這遠遠超出了電極的能力?！?此外，我們的成像方法使我們能夠分析每個神經(jīng)元的突觸."

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

紀的目標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神經(jīng)元或幾個神經(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，我們就可以對大腦中發(fā)生的事情有更全面的了解?！?

雙光子顯微鏡

紀和她的同事能夠監(jiān)視他們的大腦，這要歸功于探針可以固定在特定類型的細胞上，并且可以在環(huán)境變化時發(fā)出熒光。例如，為了跟蹤神經(jīng)元的電壓變化，她的團隊使用了斯坦福大學合著者林世煜開發(fā)的傳感器。當電壓信號沿細胞膜傳播，細胞膜去極化時，傳感器會發(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物質(zhì)(如信號離子鈣)的存在。

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