光场显微镜实现神经活动3D成像

目前，美国麻省理工学院和奥地利维也纳大学的研究人员，创建了一种成像系统，可揭示活体动物整个大脑内的神经活动。这项技术第一次可在毫秒时间的尺度上，产生整个大脑的3D影像，可以帮助科学家们发现神经元网络如何处理感觉信息和产生行为。这一新方法，发表在2014年5月18日的《Nature Methods》杂志。

　　

生物通报道：目前，美国麻省理工学院和奥地利维也纳大学的研究人员，创建了一种成像系统，可揭示活体动物整个大脑内的神经活动。这项技术第一次可在毫秒时间的尺度上，产生整个大脑的3D影像，可以帮助科学家们发现神经元网络如何处理感觉信息和产生行为。

研究小组使用这种新系统，同时实现了秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）每个神经元的活动成像，以及斑马鱼幼虫的整个大脑活动成像，提供了较之前更为全面的神经元系统活动图。

本研究小组的带头人、麻省理工学院的生物工程、大脑与认知科学副教授Ed Boyden称：“观察大脑中仅仅一个神经元的活动，不能告诉你信息如何被处理；因此，你需要知道上游神经元正在做什么。为了了解一个给定神经元活动的意思是什么，你就需要了解上游神经元正在做什么。总之，如果你想了解从感觉一直到活动的信息如何集成，你就必须能看到整个大脑。”

这一新方法，发表在2014年5月18日的《Nature Methods》杂志，也能帮助科学家对脑部疾病的生物学基础有更多了解。Boyden称：“对于任何脑部疾病来说，我们真的不知道具体涉及到哪些细胞。调查整个神经系统的活动，可以帮助我们确定涉及脑部疾病的细胞或网络，为治疗方法带来新的思路。”

Boyden研究小组与维也纳大学Alipasha Vaziri实验室及维也纳分子病理学研究所合作，开发了这种大脑影像方法。研究的第一作者是麻省理工学院研究生Young-Gyu Yoon和维也纳大学博士后Robert Prevedel。

高速三维成像
神经元利用电子脉冲（称为动作电位）来编码信息——感官数据、协调区、情感状态和思想，从而引起钙离子流入每个放电的细胞中。科学家通过使生物工程荧光蛋白在结合钙之后发光，可以观察该神经元的放电。然而，直到现在还没有一种方法能够以很高的速度，实现大体积范围内的这些神经元活动成像。

用激光束来扫描大脑能产生神经活动的三维图像，但是捕获一副图像需要很长的时间，因为每个点必须单独扫描。麻省理工学院研究小组希望实现类似的三维成像，但是加快这个过程，以使他们能够看到神经元放电，它的发生仅需几毫秒。

该方法是基于一种广泛使用的技术，称为光场成像（light-field imaging），通过测量入射光线的角度产生3D图像。本文共同作者、麻省理工学院媒体艺术与科学副教授Ramesh Raskar，广泛从事开发这种类型的3D成像。先前，多个小组就已经开发出光场成像显微镜。在这项新研究中，麻省理工学院和奥地利的研究人员优化了光场显微镜，并用它首次实现神经活动的成像。

利用这种显微镜，正在成像的样品所发出的光线，通过一排镜头发送，这些镜头可在不同的方向折射光线。样品的每个点会产生大约400个不同的光点，然后利用计算机算法将它们重新结合，重建3D结构。

Boyden称：“如果你在样品中有一个发光分子，这些微小的镜头不是仅仅将其聚焦成照相机上的一个点（像常规显微镜），而是把它的光线投射到许多点上。根据这些，你可以推断分子所在的三维位置。”

活动中的神经元
研究人员使用这种技术，实现了秀丽隐杆线虫的神经活动成像，它的整个神经线路图都是已知的。这种1毫米长的蠕虫有302个神经元，当它进行神经活动（如爬行）时，研究人员能够拍摄到每个神经元。他们还观察到感官刺激（如气味）所产生的神经反应。

Boyden称，光场显微镜的缺点是，分辨率不如慢慢扫描样品的技术那样好。当前的分辨率足够高，能看到单个神经元的活动，但是研究人员正在努力改进，以使显微镜也能用来影像神经元的一部分，如神经元主体上分支出来的长树突（dendrites）。他们还希望加快计算过程，目前需要几分钟的时间来分析一秒钟的成像数据。

研究人员还计划将这一技术与光学遗传学结合起来，可通过把光照射在工程表达光敏感蛋白的细胞表面，控制神经元的放电。通过利用光线刺激神经元，观察大脑中的其他部位，这样科学家就可以确定哪些神经元正在参与特定的任务。

（生物通：王英）

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生物通推荐原文摘要：
Simultaneous whole-animal 3D imaging of neuronal activity using light-field microscopy
Abstract：High-speed, large-scale three-dimensional (3D) imaging of neuronal activity poses a major challenge in neuroscience. Here we demonstrate simultaneous functional imaging of neuronal activity at single-neuron resolution in an entire Caenorhabditis elegans and in larval zebrafish brain. Our technique captures the dynamics of spiking neurons in volumes of ~700 μm × 700 μm × 200 μm at 20 Hz. Its simplicity makes it an attractive tool for high-speed volumetric calcium imaging.