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光场显微镜3D成像神经活动 人脑结构纤毫毕现

http://www.kexue.com 2014-05-21 08:44:06 凤凰科技  发表评论


光场显微镜下的神经活动成像

  国外媒体报道,近日美国麻省理工学院和奥地利维也纳大学的研究学者创造了一个成像系统,能够揭示活体生物大脑里的神经活动。这项技术首次实现了产生整个大脑的3D动画,它将帮助科学家研究神经元网络是如何处理感官信息从而产生行为的。

  研究小组利用新的系统同时对秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans )的每一个神经元活动以及斑马鱼幼虫的整个大脑进行成像,从而提供了神经元系统活动更加完整的图片。 

  “观察大脑里一个神经元的活动并不能为你展示大脑是如何处理信息的,你需要知道上一个神经元的活动。而为了理解一个特定神经元活动的意义,你又必须知道下一个神经元的活动。”美国麻省理工学院大脑、认知科学和生物工程学副教授埃德·博伊登(Ed Boyden)这样说道。简言之,如果你想要了解感官信息是如何集合并形成行为的,你必须了解整个大脑的活动。

  而最新的这个方法将帮助神经科学家了解更多有关大脑紊乱的生物学基础。“我们并不知道大脑紊乱所涉及的特定细胞集。” 博伊登说道。“调查整个神经系统的活动或可以帮助确定大脑紊乱所涉及的细胞或者网络,从而产生治疗方法的新观点。”博伊登带领的研究小组与维也纳大学的研究人员合作提出了一种描绘大脑的新方法。

  高速3D成像

  神经元利用名为放电特性(Action Potentials, APs)的电子脉冲可以编码信息——感官数据、情绪状态和思想,这种电子脉冲会刺激钙离子流入每一个细胞。通过注入与钙结合时会发光的荧光蛋白,科学家们能够将神经元的发射可视化。然而,在此之前一直无法实现对这些神经元活动进行高速的大范围3D成像。

  利用激光束扫描大脑可以产生神经元互动的3D图像,但捕捉这样的图片需要耗费大量的时间,因为每一个点都必须单独扫描。麻省理工学院的研究小组希望获得相似的3D成像,但加速这一过程从而实现观测神经元的发射很困难,后者一般发生的非常快,只有几毫秒的时间。

  最新的方法是基于一种被广泛应用的名为光场成像(light-field imaging)的技术,通过测量进来光线的角度从而创造3D图像。研究首席作者、美国麻省理工学院媒体艺术与科学的副教授拉梅什·拉斯卡(Ramesh Raskar)一直都在研究这种3D成像技术。在此之前其它科研小组已经研发了运行光场成像的显微镜,而在这项最新的研究里,研究人员将这种光场显微镜最优化并将其首次应用于神经元活动成像。

  利用这种显微镜,样本释放的光被发送经过透镜阵列,后者会在不同的方向折射光。样本的每个点大约会产生400多个不同的光的点,利用电脑算法将这些点重新结合便可以再现3D结构。“如果样本里有一个释放光的分子,传统显微镜会将它重新聚焦在单一的点上,但我们的透镜阵列可以将光投射在很多点上,由此你可以推测出这个分子所处的三维位置。” 博伊登说道。

  奥地利维也纳大学的博士后罗伯特·普雷韦代尔(Robert Prevedel)建造了这个显微镜,而这项研究的研究首席作者、美国麻省理工学院的研究生杨奎尹(Young-Gyu Yoon)修改了电脑算法从而重建了3D图像。

  美国哈佛大学的物理学家教授艾拉文森·塞缪尔(Aravinthan Samuel)表示这种方法看起来“非常有前景”,它能够加速对移动活体生物进行3D成像,从而将它们的神经元活动与行为相联系。“这项研究最令人印象深刻的方面在于这是一种非常简单的方法,”塞缪尔说道,他并未参与这项研究,“我可以想像很多实验室都可以应用这种方法。”

  活动中的神经元

  研究人员利用这种技术实现了秀丽隐杆线虫的神经活动成像,这是唯一一个整个神经线路图都已知的生物。这种1毫米长的蠕虫有302个神经元,当它执行自然行为时,例如爬行,研究人员能够对每个神经元进行成像。他们还观察到这种生物对感官刺激(如气味)所产生的神经反应。  

  博伊登称,光场显微镜的缺点是它的分辨率不如缓慢扫描样本技术那么好。但目前的分辨率足够高,可以看到单个神经元的活动,研究人员仍在努力改进,使得显微镜也能用于对某些神经元部分进行成像,例如从神经元主体上分支出来的长树突。他们还希望加快计算过程,目前分析一秒钟的成像数据需要几分钟时间。  

  研究人员还计划将这一技术与光学遗传学相结合,通过将光照射在表达光敏感蛋白的细胞表面,从而控制神经元的发射。通过用光刺激神经元,并观察大脑中其它区域的活动,科学家可以确定哪些神经元参与了特定活动。这项研究被发表在5月18日的期刊《自然-方法》(Nature Methods)上。

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