新技术照亮3D中的神经元活动

研究人员使用光场显微镜证明了这项新技术，该技术可以使他们同时成像斑马鱼幼虫整个大脑中每个神经元的活动。

麻省理工学院和维也纳大学的研究人员创建了一个成像系统，该系统揭示了整个活体动物大脑的神经活动。视频：梅兰妮·戈尼克（Melanie Gonick）/麻省理工学院

麻省理工学院和维也纳大学的研究人员创建了一个成像系统，该系统揭示了整个活体动物大脑的神经活动。这项技术是第一个可以在毫秒级生成全脑3-D电影的技术，可以帮助科学家发现神经元网络如何处理感官信息并产生行为。

该团队使用新系统同时对线虫秀丽隐杆线虫中每个神经元的活动以及斑马鱼幼虫的整个脑部进行成像，从而提供了比以前更完整的神经系统活动图景。

“仅查看大脑中一个神经元的活动并不能告诉您该信息是如何计算的；为此，您需要知道上游神经元在做什么。为了了解给定神经元的活动意味着什么，您必须能够了解下游神经元在做什么。”麻省理工学院生物工程与脑与认知科学副教授，该学科的负责人之一埃德·博伊登（Ed Boyden）说。研究小组。“简而言之，如果您想了解从感觉到行动的整个过程中如何整合信息，那么您必须看到整个大脑。”

5月18日在《自然方法》中描述的新方法还可以帮助神经科学家更多地了解脑部疾病的生物学基础。博伊登说：“对于任何脑部疾病，我们真的不知道所涉及的确切细胞集合。”“调查整个神经系统活动的能力可能有助于查明与脑部疾病有关的细胞或网络，从而带来新的治疗方法。”

博伊登（Boyden）的小组与维也纳大学（University of Vienna）的Alipasha Vaziri实验室和维也纳分子病理学研究所的研究人员合作开发了一种脑映射方法。该论文的主要作者是麻省理工学院的研究生Young-Gyu Yoon和维也纳大学的博士后Robert Prevedel。

高速3D成像

神经元使用称为动作电位的电脉冲来编码信息-感觉数据，运动计划，情绪状态和思想-激发钙离子，使其在发射时流进每个细胞。通过使荧光蛋白结合钙时发光，科学家可以形象地看到神经元的这种电激发。但是，到目前为止，还没有办法在大体积，三维和高速下对这种神经活动进行成像。

用激光束扫描大脑可以产生神经活动的3D图像，但是捕获图像需要花费很长时间，因为必须逐个扫描每个点。麻省理工学院的研究小组希望实现类似的3D成像，但要加快这一过程，以便他们看到神经元的放电，发生时只需几毫秒。

该新方法基于被称为光场成像的广泛使用的技术，该技术通过测量入射光线的角度来创建3-D图像。麻省理工学院媒体艺术与科学副教授，本文的作者拉梅什·拉斯卡尔（Ramesh Raskar）在开发这种类型的3D成像方面进行了广泛的工作。先前已经由多个小组开发了执行光场成像的显微镜。在新论文中，麻省理工学院和奥地利的研究人员优化了光场显微镜，并将其首次应用于神经活动成像。

使用这种显微镜，被成像的样本发出的光将通过透镜阵列发送，该透镜阵列会沿不同方向折射光。样品的每个点产生大约400个不同的光点，然后可以使用计算机算法将其重新组合以重新创建3-D结构。

“如果您的样品中有一个发光分子，而不仅仅是像普通显微镜那样将其重新聚焦在相机上的单个点上，那么这些微小的透镜会将其光投射到许多点上。由此，您可以推断出分子所在的三维位置。”博登（Boyden）说，他是麻省理工学院媒体实验室和麦戈文脑科学研究所的成员。

Prevedel建造了显微镜，Yoon设计了重建3D图像的计算策略。

哈佛大学物理学教授阿拉文森·塞缪尔（Aravinthan Samuel）表示，这种方法似乎是“极其有前途的”方法，可以加快对活动，活动的动物进行3D成像，并将其神经元活动与其行为相关联。“令人印象深刻的是它是如此优雅的简单实现，”不属于研究团队的塞缪尔（Samuel）说。“我可以想象许多实验室会采用这种方法。”

神经元的作用

研究人员使用该技术对线虫C. elegans中的神经活动进行成像，蠕虫C. elegans是唯一了解整个神经接线图的生物。这种1毫米的蠕虫具有302个神经元，研究人员在蠕虫执行自然行为（例如爬行）时对每个神经元进行了成像。他们还观察了神经元对嗅觉等感觉刺激的反应。

博伊登说，光场显微镜的缺点是分辨率不如缓慢扫描样品的技术那么好。当前的分辨率已经足够高，可以看到单个神经元的活动，但是研究人员正在努力改善这种状态，因此显微镜还可以用于对神经元的各个部分进行成像，例如从神经元主体分支出来的长树枝状晶体。他们还希望加快计算过程，目前需要花费几分钟来分析一秒的成像数据。

研究人员还计划将该技术与光遗传学相结合，从而使神经元放电可以通过将光照射到被设计为表达光敏蛋白的细胞上来进行控制。通过用光刺激神经元并观察大脑其他部位的结果，科学家可以确定哪些神经元参与了特定的任务。

麻省理工学院的其他合著者包括机械工程专业的博士生Nikita Pak，以及媒体实验室的研究科学家Gordon Wetzstein。麻省理工学院的这项工作是由艾伦脑科学研究所资助的；美国国立卫生研究院；麻省理工学院综合情报计划； IET哈维奖；国家科学基金会（NSF）；纽约干细胞基金会罗伯逊奖；谷歌;麻省理工学院的NSF脑，思维和机器中心；还有杰里米（Jeremy）和乔伊斯·韦特海默（Joyce Wertheimer）。

出版物：Robert Prevedel等人，“使用光场显微镜对神经元活动同时进行全动物3D成像”，《自然方法》（Nature Methods），2014年； doi：10.1038 / nmeth.2964

图像：麻省理工学院新闻