为了理解大脑，科学家们必须能够逐个细胞地观察脑细胞。然而，因为大脑包含数十亿个微观运动部件，所以忠实地记录他们的活动会带来许多挑战。例如，在致密的哺乳动物大脑中，难以追踪多个脑结构中的快速细胞变化 - 特别是当这些结构位于大脑深处时。
由洛克菲勒科学家开发的一种新型显微镜技术，集成了新的和现有的方法，以帮助建立更具凝聚力的大脑图像。在Cell中描述，该技术捕获大量神经组织的细胞活动，具有令人印象深刻的速度和新的深度。
激光聚焦
几十年来，脑成像一直受到权衡的困扰。有些技术会产生漂亮的图像，但无法实时记录神经活动。其他人可以跟上大脑的速度，但空间分辨率很差。虽然有成功结合快速性和图像质量的策略，但它们通常只捕获少量细胞。
“这部分是因为管理这些权衡的限制尚未以系统和综合的方式进行探索或推动，”神经技术和生物物理实验室负责人Alipasha Vaziri说。
为了结束权衡时代，Vaziri最近努力改进一种称为双光子(2p)显微镜的技术。它涉及激光的应用，使得一些脑组织发出荧光或发光;对于许多研究人员来说，2p长期以来一直是探测大脑细胞活动的金标准。
然而，这种技术有局限性。标准2p显微镜检查需要对给定区域进行逐点扫描，这会导致成像缓慢。为了解决这个问题，Vaziri和他的同事实施了一种新的策略，允许从多个大脑区域并行记录，同时仔细控制记录的每个点的大小和形状。
传统2p的另一个弱点是它仅测量大脑的表面或皮质，忽略深藏在器官深处的结构，例如海马体，其涉及存储记忆。“神经科学面临的最大挑战之一是开发能够在保持高分辨率的同时测量深部脑区活动的成像技术，”Vaziri说。
接受这一挑战，他决定利用更新的技术：三光子(3p)显微镜。虽然2P不会超出小鼠大脑的表面或皮层，但3p会穿透更深的区域。Vaziri的最新创新称为混合多重雕刻光学显微镜或HyMS，同时应用2P和3P，使研究人员能够生成跨越多层脑组织的快速细胞活动图。
深潜
除了混合激光策略之外，HyMS还整合了该领域最近的其他技术和概念进步 - 一种协同方法，Vaziri说，它指导了该技术的发展。他说，目标是最大化通过多光子激发显微镜获得的生物信息量，同时最大限度地减少这种方法产生的热量。在测试他们的新系统时，科学家肯定获得了大量信息。
HyMS拥有最高帧速率的可用3p技术，这意味着它可以以创纪录的速度捕捉生物变化。虽然以前的技术仅扫描单个组织平面，但该技术可以从整个组织样本中获取信息，并允许用户一次记录多达12,000个神经元。HyMS的另一个优点是它能够同时测量不同深度脑区的活动。Vaziri说，由于大脑的不同层不断交换信号，因此追踪这些区域之间的相互作用是理解器官功能的关键。
“以前，人们甚至都无法在整个皮质深度上观察神经元的活动，皮层有多层，同时，”他说。“通过这项技术，您实际上可以看到皮质内部以及皮层和皮质下结构之间的信息流。”
除了探测新的深度，HyMS还允许研究人员记录动物在积极参与环境时的大脑活动。例如，在最近的一项实验中，研究人员使用该技术记录数千只小鼠神经元的信号，就像动物在跑步机上行走或听声音一样。他们能够获得良好记录的事实表明，当动物执行不同的任务时，该技术可用于监测大细胞群 - 这一应用可以帮助阐明行为和认知的各个方面的神经机制。
Vaziri说，像HyMS这样的技术对希望更好地理解大脑如何处理信息的研究人员至关重要。大脑中的神经元密集地相互连接，信息通常不是由单个细胞表示，而是由网络状态表示。
“要了解网络的动态，”他说，“你需要在单神经元水平上准确测量大部分大脑。这就是我们在这里所做的。”
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