高速显微镜捕捉短暂的大脑信号

当我们穿越世界时，电和化学信号在我们的大脑中不断闪烁，但这需要一个高速摄像机和一个进入大脑的窗口来捕捉它的短暂路径。

加州大学伯克利分校的研究人员现在已经创造了这样一个摄像头：显微镜，每秒钟可以对报警老鼠的大脑成像1000次，并首次记录毫秒电脉冲通过神经元的时间。

加州大学伯克利分校物理学、分子和细胞生物学副教授纳吉说：“这真的很令人兴奋，因为现在我们可以做一些以前人们真的做不到的事情。”

这种新的成像技术结合了双光子荧光显微镜和全光学激光扫描技术，可以通过小鼠大脑新皮层以每秒3000次的速度对二维切片进行成像。这个速度足以追踪流经大脑回路的电信号。

有了这项技术，像纪这样的神经科学家现在可以记录电信号通过大脑传输时的情况，最终找出与疾病相关的传输问题。

这项技术的主要优势之一是，它将使神经科学家能够跟踪任何给定脑细胞从其他脑细胞(包括那些不触发该细胞的脑细胞)接收的数百至数万个输入。这些阈下输入——刺激或抑制神经元——逐渐累积，触发细胞刺激动作电位，并将信息传递给其他神经元。

从电极到荧光成像

当毫秒电压变化过去时，通过嵌入组织的电极记录大脑电击的典型方法只能检测到少数神经元的斑点。新技术可以精确定位实际触发神经元，并根据信号路径逐毫秒移动。

加州大学伯克利分校海伦威尔斯神经科学研究所的成员季说：“在疾病中，许多事情在你看到神经元兴奋之前就已经发生了。”“我们从未研究过阈下输入会如何改变疾病。现在，我们有能力解决这个问题。”

季和她的同事在3月份的《自然方法》杂志上报道了这种新的成像技术。在同一期杂志上，她和其他同事还发表了一篇论文，展示了一种不同的技术，可以同时对整个小鼠大脑半球的钙信号进行成像，其中一种技术使用的是视野开阔的“显微镜”，而后者使用的是两种光子成像和贝塞尔聚焦扫描。当信号通过大脑传输时，钙浓度与电压变化有关。

季说：“这是第一次有人在三维空间中表现出如此大量的大脑神经活动，这远远超出了电极的能力。”"此外，我们的成像方法使我们能够分析每个神经元的突触."

突触是一个神经元释放神经递质来刺激或抑制另一个神经元的地方。

纪的目标之一是了解大脑大面积区域的神经元是如何相互作用的，最终找到与脑部疾病相关的疾病回路。

季说：“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，如果你真的想了解这些疾病，你希望在不同的大脑区域看到尽可能多的神经元。这样，我们就可以对大脑中发生的事情有更全面的了解。”

双光子显微镜

纪和她的同事能够监视他们的大脑，这要归功于探针可以固定在特定类型的细胞上，并且可以在环境变化时发出荧光。例如，为了跟踪神经元的电压变化，她的团队使用了斯坦福大学合著者林世煜开发的传感器。当电压信号沿细胞膜传播，细胞膜去极化时，传感器会发出荧光。

然后，研究人员使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，并结合成2D图像，显示电压变化的位置或特定化学物质(如信号离子钙)的存在。

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