新技術(shù)使蠕蟲神經(jīng)系統(tǒng)3D可視化

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   　 麻省理工學(xué)院和維也納大學(xué)的研究人員創(chuàng)建出一種揭示活體動(dòng)物整個(gè)大腦神經(jīng)活動(dòng)的成像系統(tǒng)，并生成毫秒級(jí)的3D影像，可以幫助科學(xué)家了解神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)如何處理感覺(jué)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(gè)神經(jīng)元的活性，因此，它是唯一一個(gè)已知整個(gè)神經(jīng)接線圖的生物。該1毫米蠕蟲有302個(gè)神經(jīng)元，將其每個(gè)自然行為，如爬行成像。還觀察其神經(jīng)元對(duì)感官刺激的反應(yīng)，如氣味。以及一條斑馬魚幼蟲的整個(gè)大腦，提供了比以前更為全面的神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)的信息。

　　該研究團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者之一、麻省理工學(xué)院生物工程和腦與認(rèn)知科學(xué)副教授埃德·博伊登說(shuō)，“只看大腦中的一個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)是不能了解信息是如何被計(jì)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(dòng)意味著什么，必須能夠看到下游的神經(jīng)元在做什么?？傊?，如果想了解信息是如何從感覺(jué)集成到所有的動(dòng)作，就必須看到整個(gè)大腦的活動(dòng)情況。”

　　新的方法還可以幫助神經(jīng)科學(xué)家了解更多有關(guān)大腦疾病的生物學(xué)基礎(chǔ)。博伊登說(shuō)，“我們真的不知道，對(duì)于任何腦部疾病，參與其中的確切細(xì)胞。在整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)查活動(dòng)的能力可能有助于找出那些涉及腦部疾病的細(xì)胞或網(wǎng)絡(luò)，引導(dǎo)出新的治療思路。”

　　神經(jīng)元編碼信息，包括感官數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)計(jì)劃、情緒狀態(tài)和想法。利用稱為動(dòng)作電位的電脈沖，其閃光時(shí)引發(fā)鈣離子流進(jìn)每一個(gè)細(xì)胞。當(dāng)工程熒光蛋白與鈣結(jié)合而發(fā)光，科學(xué)家便可視化放電的神經(jīng)元。然而，到現(xiàn)在為止，一直沒(méi)有辦法將這種神經(jīng)活動(dòng)在一個(gè)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(zhǎng)的時(shí)間來(lái)拍攝圖像，因?yàn)槊總€(gè)點(diǎn)都必須單獨(dú)進(jìn)行掃描。該研究小組想實(shí)現(xiàn)類似3D成像的效果加速這個(gè)過(guò)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(xué)》、物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道，該方法是基于一種被稱為光場(chǎng)成像廣泛使用的技術(shù)，通過(guò)測(cè)量光的入射光線角度建立3D圖像。此前執(zhí)行光場(chǎng)成像的顯微鏡已被開(kāi)發(fā)。研究人員優(yōu)化了光場(chǎng)顯微鏡，并將其首次應(yīng)用到神經(jīng)活動(dòng)的成像。

　　用這種顯微鏡，由樣本發(fā)射的光通過(guò)在不同方向折射光的透鏡陣列成像。樣本的每一個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生約400種不同的光點(diǎn)，然后可以使用計(jì)算機(jī)算法重建3D結(jié)構(gòu)。

　　研究人員說(shuō)，“如果在樣本中有一個(gè)發(fā)光分子，并不是僅僅將其如普通相機(jī)的做法重新調(diào)整成一個(gè)點(diǎn)，而是這些微小的鏡頭將光投射到許多點(diǎn)上。由此，可以推斷出這個(gè)分子在三維空間的位置。”

　　研究人員說(shuō)，光場(chǎng)顯微鏡的缺點(diǎn)是分辨率不如慢慢掃描樣本的技術(shù)好。當(dāng)前的分辨率足以看到單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)，而研究人員現(xiàn)在努力改進(jìn)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(lái)的長(zhǎng)樹(shù)突。他們也希望能加快計(jì)算過(guò)程，目前需幾分鐘的時(shí)間來(lái)分析一秒鐘成像的數(shù)據(jù)。

　　研究人員還計(jì)劃將該技術(shù)與光遺傳學(xué)結(jié)合，使神經(jīng)元放電由對(duì)細(xì)胞工程表達(dá)光敏蛋白閃亮的光進(jìn)行控制。通過(guò)用光線刺激神經(jīng)元和觀察大腦的其他地方，科學(xué)家能夠確定哪些神經(jīng)元參與了特定的任務(wù)。

　　哈佛大學(xué)物理學(xué)教授薩穆埃爾說(shuō)，這種做法似乎是一個(gè)“非常有前途”的方式，加快生成活的、移動(dòng)著的動(dòng)物行為相關(guān)的神經(jīng)元活動(dòng)的3D圖像。未來(lái)許多實(shí)驗(yàn)室都有可能將其采用。