一種新顯微鏡打破了長期以來的速度限制，記錄大腦活動錄像比科學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為可能的速度快15倍。它收集數(shù)據(jù)的速度足夠快，可以記錄神經(jīng)元的電壓峰值和大面積釋放的化學(xué)信號，同時監(jiān)測數(shù)百個突觸——這對于強大的雙光子顯微鏡成像技術(shù)來說是一個巨大的飛躍。訣竅不在于彎曲物理定律，而在于利用樣本的知識將相同信息壓縮成更少的測量值，其研究發(fā)表在《自然方法》上?？茖W(xué)家們利用這種新型顯微鏡觀察了神經(jīng)遞質(zhì)釋放到小鼠神經(jīng)元上的模式。

直到此前，在活體動物大腦中捕捉這些毫秒級模式還是不可能的?？茖W(xué)家們使用雙光子成像技術(shù)來觀察不透明的樣本內(nèi)部，就像活體大腦一樣，普通光學(xué)顯微鏡無法穿透這些樣本。這些顯微鏡使用激光激發(fā)熒光分子，然后測量發(fā)出的光。在經(jīng)典雙光子顯微鏡中，每次測量需要幾納秒，制作視頻需要對每幀圖像中的每一個像素進行測量。該研究的主要作者、Janelia的研究員卡斯帕?波德戈爾斯基說：從理論上講，這限制了人們捕捉圖像的速度，你可能會認(rèn)為這是一個基本限制。

但通過壓縮測量數(shù)據(jù)打破了這個極限，以前，這種速度只能在很小的區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)。新掃描線角投影顯微鏡（SLAP）使耗時的數(shù)據(jù)收集在幾個方面更有效率。它將多個像素壓縮成一個測量值，只掃描感興趣區(qū)域的像素，這要歸功于一種能夠控制圖像中哪些部分被照亮的設(shè)備。在雙光子成像開始之前拍攝的高分辨率樣品圖片，指導(dǎo)了成像范圍，并允許科學(xué)家對數(shù)據(jù)進行解壓，以創(chuàng)建詳細(xì)的視頻。就像CT掃描儀通過從不同角度掃描病人來建立圖像一樣。

描線角投影顯微鏡將一束光沿著四個不同的平面掃過一個樣本。該范圍不是將光束路徑中的每個像素記錄為單獨數(shù)據(jù)點，而是將該線中的點壓縮為一個數(shù)字。然后，計算機程序?qū)ο袼鼐€進行整理，得到樣本中每個點的數(shù)據(jù)——有點像解一個巨大的數(shù)獨謎題。

在掃描整個樣本所需的時間內(nèi)，傳統(tǒng)逐像素掃描范圍只能覆蓋圖像的一小部分。這樣速度讓波德哥斯基的團隊能夠詳細(xì)觀察谷氨酸，一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，是如何被釋放到老鼠神經(jīng)元的不同部位。

例如，在老鼠的視覺皮層中，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元樹突上有許多突觸同時活躍的區(qū)域。當(dāng)一個物體穿過老鼠的視野時，追蹤了老鼠大腦皮層的神經(jīng)活動模式。研究的最終目標(biāo)是將所有進入單個神經(jīng)元的信號成像，以了解神經(jīng)元如何將傳入的信號轉(zhuǎn)換成傳出信號。目前的范圍“只是前進了一步，但已經(jīng)在構(gòu)建第二代”。一旦擁有了這些，就不用再受顯微鏡的限制了。研究團隊正在升級掃描儀，以提高掃描速度，還在尋找跟蹤其他神經(jīng)遞質(zhì)的方法。

博科園｜研究/來自：霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所

參考期刊《自然方法》

DOI: 10.1038/s41592-019-0493-9

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