作者:加州大学圣巴巴拉分校的詹姆斯·巴德汉姆
斯潘塞·史密斯在实验室用开创性的Diesel2p显微镜
学分:工程学院 推进我们对人脑的理解将需要对包括实验室小鼠在内的哺乳动物的神经回路如何工作有新的见解
这些研究需要用显微镜监测大脑活动，显微镜提供的分辨率足够高，可以看到单个神经元及其邻居
双光子荧光显微镜大大增强了研究人员的能力，加州大学圣巴巴拉分校电气和计算机工程系副教授斯潘塞·拉弗·史密斯的实验室是推进这项技术的研究温床
作为由美国国家科学基金会资助的下一代多光子神经成像联盟(Nemonic)中心的首席研究员，Smith致力于“推动神经科学研究的多光子显微技术前沿”。该中心由奥巴马总统的BRAIN Initiative创立，总部位于UCSB
" 11月
17期《自然通讯》上，史密斯和他的合著者报道了一种新显微镜的发展，他们称之为“用于大视场双光子成像(Diesel2p)的双独立增强扫描引擎”
“他们的双光子显微镜提供了前所未有的大脑成像能力
该设备拥有所有这类仪器中最大的视野(可达25平方毫米)，可以提供大脑多个区域的亚细胞分辨率
史密斯解释说:“我们正在针对三个方面进行优化:看到单个神经元的分辨率、同时捕捉多个大脑区域的视野，以及捕捉行为过程中神经元活动变化的成像速度。”
“我们对成像感兴趣的事件持续时间不到一秒钟，因此我们没有时间移动显微镜；我们必须一次完成所有工作，同时还要确保光学系统能够聚焦超快激光脉冲
" 驱动双光子成像系统的强大激光，每台售价约为25万美元，可发出超快、超强的光脉冲，每一个脉冲比阳光亮十亿倍以上，持续时间为0
0001纳秒
每秒8000万个脉冲的单束光束被分成两个完全独立的扫描引擎臂，使显微镜能够同时扫描两个区域，每个区域配置不同的成像参数
在仪器的前几次迭代中，两个激光器被连接并配置为相同的参数，这种安排强烈限制了采样
最佳扫描参数，如帧速率和扫描区域大小，在分布式神经电路和实验要求上有所不同，新仪器允许两种光束使用不同的扫描参数
这种新设备结合了几个定制设计和定制制造的元件，包括光学继电器、扫描透镜、管状透镜和物镜，已经被广泛采用，因为它能够在广泛分散的大脑区域提供神经活动的高速成像
史密斯致力于确保仪器的开放存取
早在这篇新论文发表之前，他和他的合著者就发布了一份预印本，其中包括复制它所需的工程细节
他们还与波士顿大学的同事分享了这项技术，陈佳瑞实验室的研究人员已经根据他们自己的实验进行了修改
“这很令人兴奋，”史密斯说
“他们不必像我们一样从头开始
他们可以借鉴我们的工作
杰瑞的论文和我们的论文是背对背出版的，INSS和科斯这两家公司已经出售了基于我们设计的系统
因为没有专利，也不会有专利，所以这项技术是免费的，任何人都可以随意使用和修改
" 双光子显微术是荧光显微术的一种特殊类型
为了在史密斯的实验室里完成这项工作，研究人员对老鼠进行了基因工程改造，使它们的神经元含有一种神经元活动的荧光指示剂
这种指示剂是由水母的荧光蛋白和自然界中存在的钙结合蛋白结合而成的
这种方法利用了神经元在放电时经历的钙含量短暂的、数量级的增加
当激光指向神经元时，神经元正在放电，钙进入，蛋白质找到钙，最终发出荧光
双光子成像通过利用光子的量子行为来增强荧光显微术，从而防止产生大量的离焦荧光
在普通的光学显微镜中，来自激发样品的光源的光以一种方式进入样品，产生一个垂直的光锥，该光锥缩小到目标聚焦区域，然后在该点下方形成一个倒锥形
任何不在最窄点的光线都是不聚焦的
双光子显微镜中的光表现不同，产生一个焦点清晰的单点光(没有光锥)，消除了所有离焦光到达成像透镜的可能性
史密斯解释说:“图像只显示了我们正在观察的那架飞机发出的光，没有太多来自飞机上方或下方的背景信号。”
“大脑具有光学特性和类似黄油的质地；它充满了脂质和水溶液，让人很难看透
通过正常的光学成像，你只能看到大脑的最顶端
双光子成像让我们能够更深入地成像，并且仍然获得亚细胞分辨率
" 双光子激发光的另一个优点是它使用更低能量、更长波长的光(在近红外范围内)
这种光在穿过组织时散射更少，因此可以清晰地聚焦到组织更深处
此外，较低能量的光比较短波长的光(如紫外光)对样品的伤害更小
史密斯的实验室在老鼠实验中测试了这种设备，在老鼠执行观看视频或浏览虚拟现实环境等任务时观察它们的大脑
每只老鼠的头骨中都植入了玻璃，为显微镜进入大脑提供了一个真实的窗口
他说:“我的动机是试图理解神经回路中的计算原理，这些原理让我们做一些有趣的事情，而这些事情我们目前无法在机器中复制。”
“我们可以制造一台机器，比我们自己做得更好
但是对于其他事情，我们不能
我们训练青少年驾驶汽车，但是自动驾驶汽车在很多人类不会驾驶的情况下都会失败
我们用于深度学习的系统是基于来自大脑的见解，但它们只是一些见解，而不是全部
它们工作得很好，但仍然很脆弱
相比之下，我可以把一只老鼠放在它从未去过的房间里，它会跑到我够不到的地方
它不会碰到任何墙壁
它非常可靠地做到了这一点，并且以大约1瓦的功率运行
“有一些有趣的计算原理，我们还不能在存在于老鼠大脑中的人造机器中复制，”史密斯继续说道，“我想开始揭示这一点
这就是为什么我想建造这台显微镜
"
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