研究人员开发出了一种新型双光子荧光显微镜，可以以细胞分辨率捕捉神经活动的高速图像。与传统的双光子显微镜相比，这种新方法成像速度更快，对脑组织的伤害更小，可以更清楚地观察神经元的实时通信方式，从而为大脑功能和神经系统疾病带来新的见解。

加州大学戴维斯分校的研究小组负责人杨伟建说：“我们的新显微镜非常适合实时研究神经网络的动态，这对于理解学习、记忆和决策等大脑的基本功能至关重要。”

“例如，研究人员可以用它来观察学习过程中的神经活动，以更好地理解这一过程中不同神经元之间的交流和相互作用。”

在《Optica》杂志上，研究人员描述了一种新型双光子荧光显微镜，它采用了一种新的自适应采样方案，并用线照明取代了传统的点照明。

他们表明，新方法能够对小鼠皮层中的神经元活动进行体内成像，成像速度比传统的双光子显微镜快十倍，同时将作用于大脑的激光功率降低十倍以上。

论文第一作者李云阳说：“通过提供一种可以实时观察神经活动的工具，我们的技术可以用来研究疾病早期的病理。”

“这可以帮助研究人员更好地了解和更有效地治疗阿尔茨海默病、帕金森病和癫痫等神经系统疾病。”

高速成像，损伤更小

双光子显微镜可以对散射组织(例如小鼠大脑)进行深入成像，方法是将一个小光点扫描到整个样本区域以激发荧光，然后逐点收集产生的信号。然后重复此过程以捕获每个成像帧。虽然双光子显微镜可以提供详细的图像，但它速度很慢并且可能会损坏脑组织。

在这项新研究中，研究人员旨在通过一种新的采样策略来克服这些限制。他们不使用光点，而是使用短线来照亮大脑中神经元活跃的特定部位。

这样可以一次性激发和成像更大的区域，从而显著加快成像过程。此外，由于它只对感兴趣的神经元进行成像，而不是背景或非活动区域，因此沉积到脑组织的总光能会减少，从而降低潜在损伤的风险。他们称此方案为自适应采样。

研究人员通过使用数字微镜器件(DMD)(一种包含数千个可单独控制的微型镜子的芯片)来实现这一目标，以动态方式塑造和引导光束，从而精确瞄准活跃的神经元。他们通过打开和关闭单个DMD像素来实现自适应采样，以适应被成像的脑组织的神经结构。

研究人员还开发了一种使用DMD模拟高分辨率点扫描的技术。这允许从快速扫描中重建高分辨率图像，从而提供一种快速识别感兴趣的神经元区域的方法。这对于随后使用短线激励和自适应采样方案进行高速成像至关重要。

杨说：“这些发展——每一个都至关重要——结合在一起创造了一个强大的成像工具，大大提高了实时研究动态神经过程的能力，同时降低了活体组织的风险。”

“重要的是，我们的技术可以与光束多路复用和远程聚焦等其他技术相结合，以进一步提高成像速度或实现体积三维成像。”

捕捉神经活动

研究人员利用这种新型显微镜对活体小鼠脑组织中的钙信号(神经活动指标)进行成像，从而展示了其性能。该系统以198Hz的速度捕获这些信号，速度比传统的双光子显微镜快得多，并展示了其监测快速神经元事件的能力，而较慢的成像方法可能会遗漏这些事件。

他们还表明，自适应线激励技术与先进的计算算法相结合，可以分离单个神经元的活动。这对于准确解释复杂的神经相互作用和理解大脑的功能结构非常重要。

接下来，研究人员将致力于将电压成像功能集成到显微镜中，以直接且极其快速地读取神经活动。

他们还计划将新方法用于真正的神经科学应用，例如观察学习过程中的神经活动和研究疾病状态下的大脑活动。此外，他们还旨在提高显微镜的用户友好性并减小其尺寸，以增强其在神经科学研究中的实用性。

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：