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新技術(shù)使蠕蟲神經(jīng)系統(tǒng)3D可視化
麻省理工學院和維也納大學的研究人員創(chuàng)建出一種揭示活體動物整個大腦神經(jīng)活動的成像系統(tǒng),并生成毫秒級的3D影像,可以幫助科學家了解神經(jīng)元網(wǎng)絡如何處理感覺信息并產(chǎn)生行為。該研究成果刊登在近日的《自然-方法》上。
研究人員使用這種技術(shù)成像秀麗隱桿線蟲每個神經(jīng)元的活性,因此,它是唯一一個已知整個神經(jīng)接線圖的生物。該1毫米蠕蟲有302個神經(jīng)元,將其每個自然行為,如爬行成像。還觀察其神經(jīng)元對感官刺激的反應,如氣味。以及一條斑馬魚幼蟲的整個大腦,提供了比以前更為全面的神經(jīng)系統(tǒng)活動的信息。
該研究團隊的領導者之一、麻省理工學院生物工程和腦與認知科學副教授埃德·博伊登說,“只看大腦中的一個神經(jīng)元活動是不能了解信息是如何被計算的,因此還需要知道其上面的神經(jīng)元在做什么。而為了解既定神經(jīng)元的活動意味著什么,必須能夠看到下游的神經(jīng)元在做什么。總之,如果想了解信息是如何從感覺集成到所有的動作,就必須看到整個大腦的活動情況。”
新的方法還可以幫助神經(jīng)科學家了解更多有關大腦疾病的生物學基礎。博伊登說,“我們真的不知道,對于任何腦部疾病,參與其中的確切細胞。在整個神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)查活動的能力可能有助于找出那些涉及腦部疾病的細胞或網(wǎng)絡,引導出新的治療思路。”
神經(jīng)元編碼信息,包括感官數(shù)據(jù)、運動計劃、情緒狀態(tài)和想法。利用稱為動作電位的電脈沖,其閃光時引發(fā)鈣離子流進每一個細胞。當工程熒光蛋白與鈣結(jié)合而發(fā)光,科學家便可視化放電的神經(jīng)元。然而,到現(xiàn)在為止,一直沒有辦法將這種神經(jīng)活動在一個大容積的三維空間中高速呈現(xiàn)。
用激光束掃描大腦可以產(chǎn)生神經(jīng)活性的3D圖像,但需要用較長的時間來拍攝圖像,因為每個點都必須單獨進行掃描。該研究小組想實現(xiàn)類似3D成像的效果加速這個過程,只在毫秒的瞬間看到神經(jīng)元發(fā)生放電。
據(jù)《每日科學》、物理學家組織網(wǎng)報道,該方法是基于一種被稱為光場成像廣泛使用的技術(shù),通過測量光的入射光線角度建立3D圖像。此前執(zhí)行光場成像的顯微鏡已被開發(fā)。研究人員優(yōu)化了光場顯微鏡,并將其首次應用到神經(jīng)活動的成像。
用這種顯微鏡,由樣本發(fā)射的光通過在不同方向折射光的透鏡陣列成像。樣本的每一個點產(chǎn)生約400種不同的光點,然后可以使用計算機算法重建3D結(jié)構(gòu)。
研究人員說,“如果在樣本中有一個發(fā)光分子,并不是僅僅將其如普通相機的做法重新調(diào)整成一個點,而是這些微小的鏡頭將光投射到許多點上。由此,可以推斷出這個分子在三維空間的位置。”
研究人員說,光場顯微鏡的缺點是分辨率不如慢慢掃描樣本的技術(shù)好。當前的分辨率足以看到單個神經(jīng)元的活動,而研究人員現(xiàn)在努力改進它,以便顯微鏡也可被用于部分神經(jīng)元的成像,如從神經(jīng)元的主體分支出來的長樹突。他們也希望能加快計算過程,目前需幾分鐘的時間來分析一秒鐘成像的數(shù)據(jù)。
研究人員還計劃將該技術(shù)與光遺傳學結(jié)合,使神經(jīng)元放電由對細胞工程表達光敏蛋白閃亮的光進行控制。通過用光線刺激神經(jīng)元和觀察大腦的其他地方,科學家能夠確定哪些神經(jīng)元參與了特定的任務。
哈佛大學物理學教授薩穆埃爾說,這種做法似乎是一個“非常有前途”的方式,加快生成活的、移動著的動物行為相關的神經(jīng)元活動的3D圖像。未來許多實驗室都有可能將其采用。
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