Credit: Pixabay/CC0公共领域
捕捉大脑活动的复杂性需要分辨率、规模和速度——当数百万个神经元在相隔几分之一秒的时间内从大脑皮层的遥远角落主动发出呼叫时，它们能够以清晰的分辨率可视化
现在，研究人员已经开发出一种显微镜技术，使科学家能够完成这一壮举，以前所未有的清晰度高速捕捉大脑不同深度的大量细胞活动的详细图像
这项研究发表在《自然方法》杂志上，展示了第一部生动的功能电影，展示了100万个神经元几乎同时在小鼠大脑中活动，展示了这项被称为光珠显微镜的创新的力量
洛克菲勒的Alipasha Vaziri说:“要理解大脑密集互联网络的本质，就需要开发新的成像技术，能够以高速和单细胞分辨率捕捉n个神经元在相距甚远的大脑区域的活动。”
“光珠显微镜将允许我们以一种以前不可能的方式来研究生物学问题
" 对显微镜的关注 无论是通过来回摆动寻找危险的胡须，还是帮助人类击中棒球的手眼协调，动物都依赖于大脑的感觉、运动和视觉区域的呼唤和反应
皮层远端的细胞通过神经活动网络协调这一壮举，该网络将大脑的远端区域编织成相互连接的交响乐
借助尖端的显微镜技术，科学家们现在才开始解开这个网
双光子扫描显微镜和荧光标签的结合是成像les透明脑组织内神经元活动的金标准，这些组织容易散射光线
它包括向标记目标发射聚焦激光脉冲
在脉冲击中标记几纳秒后，标签发出荧光，这种荧光可以被解释为让科学家了解检测到的神经活动水平
但是双光子显微术有一个基本的局限性
神经生物学家需要记录大脑感觉、运动和视觉区域之间同时发生的相互作用，但是很难在不牺牲分辨率和速度的情况下捕捉大脑如此广阔区域的活动
老鼠大脑中一百万个神经元的神经活动，以前所未有的分辨率
信用:阿里帕夏瓦齐里
设计一台理想的显微镜来观察相距甚远的大脑区域之间的相互作用，感觉就像在沉船上堵洞一样
为了获得高分辨率，科学家们通常必须牺牲比例——或者缩小以获得更大的结构，代价是分辨率
这可以通过分别从大脑的遥远角落捕捉一系列高分辨率图像，然后将它们拼接在一起来克服
但是速度成为了一个问题
瓦齐里说:“我们需要以高分辨率同时捕捉大脑远端的许多神经元。”
“这些参数几乎是互斥的
" 创新的决议 光珠显微术提供了一个创造性的解决方案，将成像速度的极限推到了最大限度——只是受到荧光本身物理性质的限制
这是通过消除连续激光脉冲之间的“停滞时间”来实现的，此时没有记录神经活动，同时也不需要扫描
这项技术包括将一个强脉冲分解成30个较小的子脉冲——每个子脉冲的强度不同——这些子脉冲潜入散射小鼠大脑的30个不同深度，但在每个深度诱导相同数量的荧光
这是通过一个反射镜腔来实现的，该腔使每个脉冲的发射在时间上交错，并确保它们都可以通过单个显微镜聚焦透镜到达它们的目标深度
采用这种方法，记录样本速度的唯一限制是荧光标签闪烁的时间
这意味着可以在传统双光子显微镜捕捉少量脑细胞的同时记录大脑的大片区域
瓦齐里和他的同事们随后将光珠显微镜集成到一个显微镜平台上进行测试，该平台允许对大脑体积进行光学访问，从而能够首次记录小鼠大脑整个皮层超过一百万个神经元的活动
因为瓦齐里的方法是建立在双光子显微术基础上的创新，许多实验室已经拥有或可以从商业上获得进行光珠显微术所必需的技术，如该论文所述
不太熟悉这些技术的实验室可以从一个简化的、独立的模块中受益，瓦齐里目前正在为更广泛的使用开发该模块
“我们没有充分的理由在五年前不这样做，”他说
“这是可能的——显微镜和激光技术已经存在
没人想到
" 最终，目标是补充而不是取代当前的技术
瓦齐里说:“有一些神经生物学问题，标准双光子显微镜已经足够了。”
“但是光珠显微镜允许我们解决现有方法无法解决的问题
"
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