高速显微镜可跟踪小鼠神经元的毫秒电压变化

　　4月8日消息，据外媒报道，加州大学伯克利分校的研究人员制造了一种显微镜，该显微镜可以每秒对小鼠的大脑成像1000次，并记录毫秒电脉冲通过神经元的时间。

　　这项新的成像技术将双光子荧光显微镜和全光激光扫描结合在显微镜中，该显微镜可以每秒通过鼠标大脑新皮层对2D切片进行成像，速度高达每秒3000次。根据研究人员的说法，该速度足以追踪流经大脑电路的电信号。

　　为了追踪神经元中电压的变化，研究人员使用了一种传感器，当细胞膜去极化时，电压信号沿着膜传播，该传感器会发出荧光。科学家用两光子激光照射传感器，使它们在激活时发出荧光，发射的光由显微镜捕获，并组合成2D图像，该图像显示了电压变化的位置或特定化学物质（例如信号离子钙）的存在。

　　通过在大脑上快速扫描激光，研究人员能够获得新皮层的单个薄层的图像。通过用光学镜替换激光器的两个旋转镜之一，该团队能够每秒对单个脑层进行1000到3000次全二维扫描。这种技术称为自由空间angular线性增强延迟（FACED），是香港大学开发的。

　　为了获得钙在神经元中运动的快速3D图像，研究人员将双光子荧光显微镜与Bessel聚焦扫描相结合，以实现宽视场“显微镜”，从而使他们能够在整个大部分时间内对钙信号进行成像。为避免对新皮层的每个μm厚层进行耗时的扫描，将双光子激光器的激发焦点从一个点到一个小圆柱体（如铅笔）整形，长度约为100μm。在整个大脑的六个不同深度扫描这种铅笔状光束，然后将荧光图像合并以创建3D图像。

　　这种方法可以在不损失任何信息的情况下进行更快的扫描，因为在每个铅笔状体积中，通常在任何时候只有一个神经元处于活动状态。介电镜能够对直径约5毫米的区域（鼠标大脑一个半球的近四分之一）和650μm的深度成像，接近新皮层的整个深度。

　　纳吉教授说：“使用常规方法，我们必须扫描300张图像以覆盖该体积，但是使用细长光束将体积折叠到一个平面上，我们只需要扫描六张图像，这意味着我们现在可以拥有足够快的体积看看钙的活性。”纳吉和她的小组现在正在研究结合四种技术-双光子荧光显微镜、贝塞尔光束聚焦、FACED和自适应光学—在深约1毫米厚的新皮层中获得高速、高灵敏度的图像。

　　纳吉教授说解释：“作为一种了解大脑的方式，我的梦想是将这些显微镜技术结合起来以获得亚微米的空间分辨率，以便我们可以看到突触、电压成像的毫秒级分辨率，并在大脑深处看到所有这些信息。大脑的复杂性和挑战性在于，如果只做一个光学部分，就无法获得完整的图像，因为神经网络是非常3D的。在包括神经退行性疾病在内的脑部疾病中，患病的不仅仅是一个神经元或几个神经元。因此，如果真的要了解这些疾病，则希望能够在不同的大脑区域看到尽可能多的神经元。通过这种方法，我们可以更全面地了解大脑中正在发生的事情。”

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