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新的显微镜技术揭示了小鼠大脑中一百万个神经元的活动

捕捉大脑活动的复杂性需要分辨率、规模和速度——能够以水晶般清晰的分辨率可视化数百万个神经元,因为它们在几分之一秒内从皮层的遥远角落主动呼唤。

现在,研究人员已经开发出一种显微镜技术,可以让科学家们完成这一壮举,以前所未有的清晰度高速捕捉大脑不同深度的大量细胞活动的详细图像。该研究发表在Nature Methods 上,展示了第一部生动的功能电影,展示了小鼠大脑中 100 万个神经元几乎同时活动的影像,展示了这项被称为光珠显微镜的创新的力量。

洛克菲勒的 Alipasha Vaziri 说:“要了解大脑密集互连网络的性质,需要开发新的成像技术,以高速和单细胞分辨率捕获大量分离的大脑区域中神经元的活动。” “光珠显微镜将使我们能够以前所未有的方式研究生物学问题。”

专注于显微镜

无论是通过来回轻弹来寻找危险的胡须,还是帮助人类击球的手眼协调,动物都依赖于大脑的感觉、运动和视觉区域的调用和反应。来自皮层远端的细胞通过神经活动网络协调这一壮举,该网络将大脑的遥远区域编织成相互关联的交响乐。

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个网络。双光子扫描显微镜和荧光标签的组合是对不太透明的脑组织内的神经元活动进行成像的黄金标准,这些脑组织容易散射光。它涉及向标记目标发射聚焦激光脉冲。在脉冲达到其标记后几纳秒,标签会发出荧光,可以通过解释让科学家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限制。神经生物学家需要同时记录大脑的感觉、运动和视觉区域之间的相互作用,但很难在不牺牲分辨率或速度的情况下捕捉如此广泛的大脑区域的活动。

小鼠大脑中一百万个神经元的神经活动,以前所未有的分辨率。图片来源:Alipasha Vaziri。

设计一个理想的显微镜来可视化相距很远的大脑区域之间的相互作用,感觉就像在沉没的船上堵住洞一样。为了获得高分辨率,科学家们通常必须牺牲尺度——或者以分辨率为代价缩小以获取更大的结构。这可以通过分别从大脑的遥远角落拍摄一系列高分辨率图像,然后将它们拼接在一起来克服。但随后速度成为一个问题。

“我们需要以高分辨率同时捕获大脑远处部分的许多神经元,”Vaziri 说。“这些参数几乎是相互排斥的。”

创新的解决方案

光珠显微镜提供了一种创造性的解决方案,并将成像速度的极限推到了最大程度——仅受荧光本身物理性质的限制。这是通过在没有记录到神经活动且同时不需要扫描时消除连续激光脉冲之间的“死区时间”来实现的。

该技术包括将一个强脉冲分解为 30 个较小的子脉冲——每个子脉冲的强度不同——它们潜入 30 个不同深度的散射小鼠大脑,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来实现的,该反射镜在时间上错开每个脉冲的发射,并确保它们都可以通过单个显微镜聚焦镜头到达目标深度。使用这种方法,可以记录样本的速度的唯一限制是荧光标签闪光所需的时间。这意味着可以在传统双光子显微镜仅捕获少量脑细胞的同一时间内记录大脑的大片区域。

Vaziri 及其同事随后将光珠显微镜整合到一个显微镜平台中进行测试,该平台允许光学访问大脑容量,从而能够记录小鼠大脑整个皮层中超过一百万个神经元的活动,以便第一次。

由于 Vaziri 的方法是建立在两个光子显微镜基础上的创新,因此许多实验室已经拥有或可以商业获得执行光珠显微镜所需的技术,如论文中所述。不太熟悉这些技术的实验室可以从 Vaziri 目前为更广泛使用而开发的简化的、独立的模块中受益。“五年前我们没有这样做,没有充分的理由,”他说。“这本来是可能的——显微镜和激光技术存在。没有人想到这一点。”

最终,目标是补充而不是取代当前的技术。“标准双光子显微镜足以解决一些神经生物学问题,”Vaziri 说。“但是光珠显微镜使我们能够解决现有方法无法解决的问题。”

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