高速显微镜捕捉到了短暂的脑信号

高速显微镜捕捉到了短暂的脑信号
mints 编译

千赫兹的双光子荧光显微镜成像技术追踪到了清醒小鼠的毫秒级的电压变化和钙信号

当我们在这个世界上移动时，电子和化学信号不断地在我们的大脑中闪现，但要捕捉到它们飞逝的路径，需要一台高速摄像机和一扇进入大脑的窗户。

加州大学伯克利分校的研究人员现在已经制造出这样一种照相机：一种，可以每秒成像1000次的显微镜，这个显微镜可以记录处于警戒状态的老鼠大脑毫秒级的电脉冲通过神经元的过程。

加州大学伯克利分校物理学、分子生物学和细胞生物学副教授纳吉（Na Ji）说：“这真的很令人兴奋，因为我们现在能够做一些人们以前真的做不到的事情。”。

新的成像技术将双光子荧光显微镜和全光激光扫描技术结合在一个最先进的显微镜中，这种显微镜能够以每秒3000次的速度穿过小鼠大脑皮层进行二维切片成像。它的速度足以追踪流经大脑回路的电信号。

有了这项技术，像Ji这样的神经科学家现在可以在电信号通过大脑传播时对其进行计时，并最终寻找与疾病相关的传播问题。

这项技术的一个关键优势是，它能够让神经科学家能够追踪任何特定脑细胞从其他脑细胞（包括那些不会触发细胞放电的细胞）接收到的数百到数万个输入。这些亚阈值的输入——刺激或抑制神经元——逐渐累积到一个高位峰值后，便触发细胞释放一个动作电位，将信息传递给其他神经元。

From electrodes to fluorescence imaging

从电极到荧光成像

记录大脑电活动的典型方法是将电极植入组织之中，不过，当发生毫秒级的电压过电时，电极技术只能检测到少数神经元的电脉冲。这项荧光成像的新技术可以精确定位实际的放电神经元，并一毫秒一毫秒地跟踪信号的路径。

加州大学伯克利分校海伦·威尔斯神经科学研究所（ Helen Wills Neuroscience Institute.）的一名成员Ji说：“在疾病过程中，发生着很多的事情，甚至包括神经元所有阈下的放电事件。”我们从未研究过一种疾病在阈下输入时会发生怎样的变化。现在，我们有一个处理这个问题的工具。”

Ji和她的同事在3月份的《自然·方法》杂志上报道了这种新的成像技术。在同一期Nature中，她和其他同事还发表了另一篇论文，该论文展示了一种不同的技术，可以同时对小鼠半个大脑的大部分区域进行钙信号成像，这种技术使用了具有双光子成像和贝塞尔聚焦扫描（Bessel focus scanning）的宽视野“中视镜（mesoscope）”。钙浓度与信号通过大脑传输时电压变化有关。

“这是第一次有人在三维空间同时显示出大脑体积如此之大的神经活动，这远远超出了电极所能做的，”Ji说。“此外，我们的成像方法使我们能够解析每个神经元的突触。”

突触是一个神经元释放神经递质以刺激或抑制另一个神经元的地方。

Ji的一个目标是了解神经元如何在不同的大脑区域之间相互作用，以最终定位与大脑疾病相关的疾病回路。

“在包括了神经退行性疾病在内的大脑疾病中，患病的不仅仅是单个神经元或少数神经元，”Ji说，“所以，如果你真的想了解这些疾病，你就要能够在不同的大脑区域观察尽可能多的神经元。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。”

Two-photon microscopy

双光子显微镜

Ji和她的同事之所以能够窥视大脑的细微之处，这得益于探针可以固定在特定类型的细胞上，并在环境变化时变成荧光。例如，为了跟踪神经元中的电压变化，她的研究小组使用了论文合著者、斯坦福大学的Michael Lin开发的一种传感器，当电压信号沿着细胞膜传播时，细胞膜就会去极化，此时，该传感器就会有荧光反应。

然后研究人员用双光子激光照射这些荧光探针，如果它们被激活，就会发出光或荧光。发射的光被显微镜捕获并合成二维图像，该图像显示电压变化的位置或特定化学物质的存在，例如信号离子、钙。

快速扫描激光在大脑上的位置，就像手电筒在黑暗的房间里逐渐显示场景一样，通过这一技术，研究人员能够获得一层薄薄的大脑皮层的图像。研究小组通过用光学反射镜替换激光的两个旋转反射镜中的一个，能够每秒对单个大脑层进行1000到3000次全二维扫描，这种技术被称为自由空间角线性调频脉冲增强延迟（free-space angular-chirp-enhanced delay FACED）技术。论文合著者，香港大学的Kevin Tsia开发了这种技术。

千赫成像不仅显示了毫秒级的电压变化，而且还显示了更为缓慢钙和谷氨酸（一种神经递质）的浓度从大脑表面至脑内350微米的变化。

为了快速获得钙通过神经元运动的三维图像，她将双光子荧光显微镜与贝塞尔焦点扫描技术相结合。为了避免在对每个微米厚的新皮质层进行扫描时的延时，双光子激光的激发的焦点从一个点到一个小圆柱体（如铅笔）进行成型，长度约为100微米。然后，这束铅笔束在六个不同的深度通过大脑进行扫描，荧光图像被组合起来形成一个三维图像。这使得扫描速度更快速，并且几乎不丢失信息，因为每个铅笔状的体积之中，通常只有一个在任何时候都是活跃的神经元。中视镜可以对一个直径约5毫米的区域成像——几乎是老鼠大脑半球的四分之一，也就是650微米深，接近参与复杂的信息处理的大脑皮层的全部深度。

Reference:

Jianglai Wu, Yajie Liang, Shuo Chen, Ching-Lung Hsu, Mariya Chavarha, Stephen W. Evans, Dongqing Shi, Michael Z. Lin, Kevin K. Tsia, Na Ji. Kilohertz two-photon fluorescence microscopy imaging of neural activity in vivo. Nature Methods, 2020; 17 (3): 287 doi: 10.1038/s41592-020-0762-7