港大教授发文《Nature Methods》：精准研究活体大脑神经元的超高速显微成像技术

　　

我们的大脑包含数百亿个神经细胞（神经元），它们通过发送化学和电脉冲不断相互通信，每一个持续一毫秒（0.001秒）。在每毫秒内，数十亿个快速飞行的闪光在大脑中像一个巨大星团在移动，形成一个曲折的闪闪发光的图案。它们是所有身体功能和行为，如情感、感知、思想、行为和记忆的起源；以及大脑疾病，如阿尔茨海默氏症和帕金森氏症异常的根源。

21世纪神经科学面临的一个重大挑战是捕捉复杂的神经活动的闪烁模式，这是全面理解大规模脑内相互作用的关键。实时捕捉这些快速飞行的信号一直是神经科学家和生物医学工程师面临的挑战。它需要在脑内植入一个高速显微镜，迄今为止这是不可能的。

香港大学电气与电子工程系副教授、香港大学生物医学工程学士学位项目主任Kevin Tsia教授、加州大学伯克利分校分子与细胞生物学系Ji Na研发的超高速显微镜-双光子荧光显微镜提供了一种新的解决方案，它成功地记录了一只警醒的老鼠神经元中的毫秒电信号。

与需要将电极插入脑组织的传统方法相比，这项新技术对被测动物的侵袭性最小。这不仅对神经元的损伤较小，而且可以一毫秒一毫秒地精确定位单个神经元并追踪它们的放电路径。

这项开创性工作的成果最近发表在学术期刊《Nature Methods》上。

高速显微镜的核心是一种被称为FACED（自由空间角线性调频增强延迟成像）的创新技术，这是Tsai博士的团队早先开发的。FACED利用一对平行的反射镜产生一系列的激光脉冲，以产生比现有激光扫描方法至少快1000倍的超高速扫描激光束。

在实验中，显微镜将一束扫描激光投射到老鼠的大脑上，每秒捕获1000到3000次对一个老鼠大脑层（大脑皮层）的全二维扫描。为了探测神经元之间脉冲的真实电信号，研究小组将斯坦福大学Michael Lin博士开发的生物传感器（蛋白质分子）插入到老鼠大脑的神经元中。

一旦有电压信号通过神经元，这些工程蛋白就会发光。发射的光随后被显微镜检测出来，并形成一个二维图像来可视化这些电压变化的位置，”Tsia博士说。

他补充说：“这真是一个令人兴奋的结果，因为我们现在可以窥视神经元活动，为理解大脑功能和更重要的大脑疾病提供基本线索，这些活动曾经都被掩盖了。”。

除了电信号，研究小组还利用显微镜捕捉到距离大脑表面1/3毫米深小鼠大脑中化学信号的缓慢运动，如钙和一种神经递质谷氨酸。

这项技术的一个显著优点是能够跟踪不触发神经元激发的信号——通常很难捕捉和检测到的弱神经元信号（称为亚阈值信号），这种信号也可能发生在大脑的许多疾病状态中，但由于缺乏高速率成像技术，还没有得到详细的研究。

新技术的另一个重要特点是它是微创的。记录脑电活动的经典方法是在脑组织中植入电极。然而，这种物理入侵会对神经元造成损伤，只能检测到来自几个神经元的模糊信号。

“到目前为止，这是一种能够检测活体大脑中单个神经元毫秒级变化活动的同类技术。因此，我认为，这是神经科学研究的基石，更准确地说是“解码”大脑信号的重要工具。

“我们正在努力进一步结合其他先进的显微镜技术，以实现更高分辨率、更宽视野和更深入大脑皮层（约1毫米）的成像。这将使我们能够更深入地研究大脑，以便更好、更全面地了解大脑的功能。”他补充说。

原文检索：Jianglai Wu, Yajie Liang, Shuo Chen, Ching-Lung Hsu, Mariya Chavarha, Stephen W Evans, Donqging Shi, Michael Z Lin, Kevin K Tsia, Na Ji. Nature Methods 17, pages287–290(2020)

（生物通：伍松）