高速显微镜捕获转瞬即逝大脑信号

周四,2020年3月19日

电和化学信号闪过我们的大脑不断地为我们通过全球移动,但还需要一个高速摄像机和窗口,进入大脑捕捉到稍纵即逝的路径。

澳门威尼斯赌场,研究者现在建立这样的相机:一个显微镜罐图像警报小鼠脑中1000倍的第二,记录首次的毫秒的电脉冲通过神经元的通路。

“这是非常激动人心的,因为我们现在能够做的东西,人们真的无法做之前,”首席研究员 娜姬,物理学,分子和细胞生物学的澳门威尼斯赌场的副教授。

新的成像技术结合双光子荧光显微镜和在国家的最先进的显微镜全光激光扫描该罐图像通过鼠标脑涨的新皮层每秒3000次的二维切片。这是速度不够快,跟踪流经大脑回路的电信号。

用这种技术,像吉神经科学家现在可以时钟电信号作为它们在大脑内传播,并最终寻找与疾病相关联的传输问题。

该技术的一个主要优点是,它将使神经科学家跟踪几百到几万的投入任何给定的脑细胞与其他脑细胞,包括那些没有电池引发火灾接收。这些亚阈值输入 - 无论是激动人心或抑制神经元 - 逐渐加起来高潮触发细胞火动作电位,沿到其他神经元传递的信息。

从电极到荧光成像

对于大脑记录电点火,通过嵌入在所述组织的电极典型方法中,检测来自几个神经元仅光点作为毫秒电压变化路过。这项新技术可以通过毫秒查明实际发射神经元,并按照信号的路径,毫秒。

“在疾病,很多事情正在发生,甚至在你能看到的神经元发射,像所有的亚阈值的事件,说:”陆云,澳门威尼斯赌场的海伦成员遗嘱神经科学研究所。 “我们从来没有看了病如何与亚阈值输入改变。现在,我们有一个句柄地址“。

姬和她的同事们报道的Nature杂志上的方法行军问题的新的成像技术。在相同的问题,她和其他同事也发表了一篇论文展示用于成像钙不同的技术在一次信令在多小鼠大脑的整个半球的,一个使用一个宽视野的视“mesoscope”具有两个-photon成像和贝塞尔聚焦扫描。作为信号通过传输脑钙浓度与电压变化的联系。

“这是第一次有人在三个维度上表现出如此大体积的大脑中的一次神经活动,这是远远超出了电极可以做,”吉说。 “此外,我们的成像方法为我们提供了解决每个神经元的突触的能力。”

突触是神经递质在那里由一个神经元释放兴奋或抑制另一种斑点。

吉的目标之一是要了解整个神经元的脑大面积相互作用,并最终找到链接到脑功能障碍患病电路。

“在脑部疾病,包括神经退行性疾病,它不只是一个单一的神经元,或者生病了几个神经元,”吉说。 “所以,如果你真的想了解这些疾病,你希望能够在寻找尽可能多的神经元尽可能在不同的大脑区域。用这种方法,我们可以得到什么在脑中发生的更为全球图景“。

双光子显微镜

姬和她的同事们都能够窥探大脑由于可以固定到特定类型的细胞的探针和荧光成为环境的变化时。跟踪在神经元中的电压变化,例如,她的团队使用由斯坦福大学的共同作者林俊良开发的传感器,当细胞膜去极化为沿着细胞膜的电压信号传播变为荧光。

研究人员随后用双光子激光,这使得它们发射光,或发出荧光,如果它们已被激活照亮这些荧光探针。所发射的光由显微镜拍摄并组合成2D图像,显示电压变化的位置,或特定的化学物质的存在,如信令离子,钙。

通过快速扫描激光在脑,很像一个手电筒逐渐揭示了黑暗的房间内的情景,研究人员能够获得新皮层的一个单一的,薄层的影像。该小组能够通过用光学镜更换激光的两个旋转的反射镜中的一个进行单个脑层1000〜3000全2D扫描每秒 - 一种技术,称为自由空间的角度啁啾增强延迟(面对)。面是由论文的合着作者凯文TSIA在香港大学开发。

千赫兹成像不仅揭示在电压毫秒的变化,但钙和谷氨酸,神经递质的也更缓慢变化的浓度下,深如从大脑的表面350微米(三分之一毫米)。

通过神经元以获得钙的移动的快速3D图像,她用不同的技术相结合的双光子荧光显微镜,贝塞尔焦点扫描。到新皮质的每微米厚的层的避免费时的扫描,双光子激光的激发焦点从一个点状的小气缸,像铅笔,长度约100微米。这个笔形波束,然后在六个不同的深度通过大脑扫描,并且所述荧光图像被组合以创建3D图像。这允许用的信息几乎没有损失更快速扫描,因为在每个铅笔状的体积,通常仅一个神经元是活性随时。所述mesoscope罐图像约5毫米直径的区域 - 的小鼠脑的一个半球的近四分之一 - 和650微米深,靠近新皮层,其涉及复杂的信息处理的全部深度。

“使用常规方法,我们将必须扫描300倍的图像,以覆盖该体积,但是具有塌陷卷到单个平面的细长光束,我们只需要扫描六个图像,现在我们可以有一个足够快的体积,其装置率看它的活性钙,”吉说。

ジ现在工作在组合四个技术 - 双光子荧光显微镜,贝塞尔束聚焦,面对和自适应光学 - 实现高速,高灵敏度的图像深的新皮层,它是约1毫米厚。

“以此来了解大脑,我的梦想就是这些显微技术结合起来,获得亚微米的空间分辨率,所以我们可以看到突触毫秒的电压成像时间分辨率,再看看在大脑这一切深深的,”她补充说。 “什么是复杂和具有挑战性的关于大脑的是,如果你只做一个单一的光学部分,在某种程度上,你没有得到一个完整的画面,因为神经网络是非常有立体感。”

编辑: 
罗伯特·桑德斯