光場顯微鏡實現(xiàn)神經(jīng)活動3D成像推介

來源：鳳凰科技

技術來源于PRIME SCIENCE**代理之Raytrix GmbH(源自德國)

新技術與新革命 

         北京時間5月21日消息，國外媒體報道，近日美國麻省理工學院和奧地利維也納大學的研究學者創(chuàng)造了一個成像系統(tǒng)，能夠揭示活體生物大腦里的神經(jīng)活動。這項技術**實現(xiàn)了產(chǎn)生整個大腦的3D動畫，它將幫助科學家研究神經(jīng)元網(wǎng)絡是如何處理感官信息從而產(chǎn)生行為的。 

研究小組利用新的系統(tǒng)同時對秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans ）的每一個神經(jīng)元活動以及斑馬魚幼蟲的整個大腦進行成像，從而提供了神經(jīng)元系統(tǒng)活動更加完整的圖片。  

“觀察大腦里一個神經(jīng)元的活動并不能為你展示大腦是如何處理信息的，你需要知道上一個神經(jīng)元的活動。而為了理解一個特定神經(jīng)元活動的意義，你又必須知道下一個神經(jīng)元的活動?！泵绹槭±砉W院大腦、認知科學和生物工程學副教授埃德·博伊登(Ed Boyden)這樣說道。簡言之，如果你想要了解感官信息是如何集合并形成行為的，你必須了解整個大腦的活動。

而**的這個方法將幫助神經(jīng)科學家了解更多有關大腦紊亂的生物學基礎?！拔覀儾⒉恢来竽X紊亂所涉及的特定細胞集?！?nbsp;博伊登說道?！罢{(diào)查整個神經(jīng)系統(tǒng)的活動或可以幫助確定大腦紊亂所涉及的細胞或者網(wǎng)絡，從而產(chǎn)生治療方法的新觀點?！辈┮恋菐ьI的研究小組與維也納大學的研究人員合作提出了一種描繪大腦的新方法。

高速3D成像源自光場成像(light-field imaging)

光場成像(light-field imaging)

神經(jīng)元利用名為放電特性(Action Potentials, APs)的電子脈沖可以編碼信息——感官數(shù)據(jù)、情緒狀態(tài)和思想，這種電子脈沖會刺激鈣離子流入每一個細胞。通過注入與鈣結(jié)合時會發(fā)光的熒光蛋白，科學家們能夠?qū)⑸窠?jīng)元的發(fā)射可視化。然而，在此之前一直無法實現(xiàn)對這些神經(jīng)元活動進行高速的大范圍3D成像。

利用激光束掃描大腦可以產(chǎn)生神經(jīng)元互動的3D圖像，但捕捉這樣的圖片需要耗費大量的時間，因為每一個點都必須單獨掃描。麻省理工學院的研究小組希望獲得相似的3D成像，但加速這一過程從而實現(xiàn)觀測神經(jīng)元的發(fā)射很困難，后者一般發(fā)生的非?？?，只有幾毫秒的時間。

**的方法是基于一種被廣泛應用的名為光場成像(light-field imaging)的技術，通過測量進來光線的角度從而創(chuàng)造3D圖像。研究**作者、美國麻省理工學院媒體藝術與科學的副教授拉梅什·拉斯卡（Ramesh Raskar）一直都在研究這種3D成像技術。在此之前其它科研小組已經(jīng)研發(fā)了運行光場成像的顯微鏡，而在這項**的研究里，研究人員將這種光場顯微鏡**優(yōu)化并將其**應用于神經(jīng)元活動成像。

利用這種顯微鏡，樣本釋放的光被發(fā)送經(jīng)過透鏡陣列，后者會在不同的方向折射光。樣本的每個點大約會產(chǎn)生400多個不同的光的點，利用電腦算法將這些點重新結(jié)合便可以再現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)。“如果樣本里有一個釋放光的分子，傳統(tǒng)顯微鏡會將它重新聚焦在單一的點上，但我們的透鏡陣列可以將光投射在很多點上，由此你可以推測出這個分子所處的三維位置?！?nbsp;博伊登說道。

奧地利維也納大學的博士后羅伯特·普雷韋代爾（Robert Prevedel）建造了這個顯微鏡，而這項研究的研究**作者、美國麻省理工學院的研究生楊奎尹（Young-Gyu Yoon）修改了電腦算法從而重建了3D圖像。

美國哈佛大學的物理學家教授艾拉文森·塞繆爾（Aravinthan Samuel）表示這種方法看起來“非常有前景”，它能夠加速對移動活體生物進行3D成像，從而將它們的神經(jīng)元活動與行為相聯(lián)系?！斑@項研究**令人印象深刻的方面在于這是一種非常簡單的方法，”塞繆爾說道，他并未參與這項研究，“我可以想像很多實驗室都可以應用這種方法?！?/p>

活動中的神經(jīng)元

研究人員利用這種技術實現(xiàn)了秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)活動成像，這是**一個整個神經(jīng)線路圖都已知的生物。這種1毫米長的蠕蟲有302個神經(jīng)元，當它執(zhí)行自然行為時，例如爬行，研究人員能夠?qū)γ總€神經(jīng)元進行成像。他們還觀察到這種生物對感官刺激（如氣味）所產(chǎn)生的神經(jīng)反應。??

博伊登稱，光場顯微鏡的缺點是它的分辨率不如緩慢掃描樣本技術那么好。但目前的分辨率足夠高，可以看到單個神經(jīng)元的活動，研究人員仍在努力改進，使得顯微鏡也能用于對某些神經(jīng)元部分進行成像，例如從神經(jīng)元主體上分支出來的長樹突。他們還希望加快計算過程，目前分析一秒鐘的成像數(shù)據(jù)需要幾分鐘時間。??

         研究人員還計劃將這一技術與光學遺傳學相結(jié)合，通過將光照射在表達光敏感蛋白的細胞表面，從而控制神經(jīng)元的發(fā)射。通過用光刺激神經(jīng)元，并觀察大腦中其它區(qū)域的活動，科學家可以確定哪些神經(jīng)元參與了特定活動。這項研究被發(fā)表在5月18日的期刊《自然-方法》(Nature Methods)上。

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