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研究人员使用X射线绘制大脑图

如果可以将大脑成像与Google Earth进行比较,神经科学家将已经对大脑有了一个很好的“卫星视图”,并且对神经元细节有了一个很好的“街道视图”。但是,导航大脑的运算方式可以说是在哪里进行,而神经科学的“导航图视图”却很少。

现在,由计算神经科学家和电气工程师伊娃·戴耶(Eva Dyer)领导的研究小组,使用该国最强大的X射线束,以地图状或“中观”尺度对大脑成像。成像比例尺以与小型神经网络相关的水平概述了大脑的细胞间景观,而小型神经网络是大脑计算能力的核心。

不久前加入佐治亚理工学院和埃默里大学的戴尔(Dyer)也研究了大脑如何通过其信号网络进行计算,而这种成像技术有一天有可能为它们的工作方式打开新的窗口。

最高能量的X射线

强大的X射线断层扫描仪使研究人员能够对小鼠大脑的特别厚的部分成像,从而使他们可以看到完整的神经区域,而这些区域的面积比显微镜成像中的常规区域大得多。扫描仪的基本工作原理与医院CT扫描仪相同,但是这种扫描使用了同步加速器中产生的高能X射线光子,同步加速器的大小相当于数十个足球场。

代尔说:“阿贡国家实验室(ANL)在其同步加速器上产生了该国最高能量的X射线束,”戴尔与美国国家实验室的鲍比·卡斯杜里(Bobby Kasthuri)在先进光子源同步加速器中共同领导了这项研究。“他们已经用非常强大的X射线研究了各种材料。然后他们对研究大脑产生了兴趣。”

该技术还揭示了交错的脑组织的毛细管网格。他们主导着图像,脑细胞的细胞体均匀地散布着毛细血管,像钢丝绒中的鹅卵石。

佐治亚理工学院和埃默里分校的华莱士·库尔特生物医学工程系助理教授戴尔说:“我们的脑细胞被埋藏在这片脉管的海洋中。”

树木的神经森林

电子显微镜已经清晰地捕捉到了神经元的细节。功能磁共振成像(fMRI)使大脑结构和广泛的神经信号清晰可见。

那么,为什么研究人员甚至需要中尺度成像?

Dyer说:“ FMRI的图像水平很高,并且使用许多显微镜,您放大得太远了,无法认出树木的森林。”“尽管与他们在一起可以看到很多东西,但您也可能会错过很多东西。”

“如果您从单个神经元的水平看大脑信号,这看起来非常神秘,但是如果退后一步,而是观察数百个神经元的活动,您可能会看到更简单,更清晰的模式,从而直观地发现更多感。”

在更早的研究中,戴尔发现手的运动方向与大脑运动新皮层中可靠的神经信号传导模式相对应。信号不是在单个神经元或几十个神经元中发生,而是在数百个神经元的组中发生。中尺度成像揭示了数百个神经元的相同顺序的空间视图。

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