同步三維成像讓大腦無需掃描

 

觀察大腦在三維空間處理感覺及概念信號分兩步走：一是拍攝神經(jīng)結(jié)構(gòu)，二是刺激并記錄神經(jīng)信號。研究人員解釋說，以往的觀察手段是通過掃描或平行刺激拍攝三維圖像或記錄三維光刺激，都沒有和光學(xué)觀察手段結(jié)合，這就限制了人們對微小神經(jīng)區(qū)域的研究。

 

將數(shù)字全息與遠(yuǎn)程聚焦兩項技術(shù)相結(jié)合可實現(xiàn)獨立的光激活與成像。數(shù)字全息讓人們能在三維空間同時設(shè)定更多激發(fā)點，在此過程中，用于激活的激光和顯微鏡結(jié)合在一起穿過主目標(biāo)；而遠(yuǎn)程聚焦使用了和主儀器對稱的另一臺顯微鏡，在較遠(yuǎn)位置重新生成目標(biāo)圖像。

 

“由于成像平面是根據(jù)第二臺顯微鏡的操作來選擇，光激活就變成了完全獨立的過程。”領(lǐng)導(dǎo)該研究的瓦倫蒂娜·埃米利安妮解釋說，“尤其在用藍(lán)色燈光產(chǎn)生一致照明的情況下，照亮樣本并激發(fā)熒光，當(dāng)光反射回攝像機(jī)時，遠(yuǎn)處顯微鏡就會生成一幅完美的熒光樣本圖像，研究人員可以通過移動鏡面選擇最后的成像平面。”

 

雙光子激活成像是目前神經(jīng)科學(xué)研究中的標(biāo)準(zhǔn)模式，埃米利安妮說，該成像系統(tǒng)最重要的革新是對該光激活與成像系統(tǒng)中運行的雙光子激活進(jìn)行了改良，提高了光學(xué)部分的觀察能力，使光激活達(dá)到亞微米的尺度（相當(dāng)于亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，如樹突的脊部），并能穿透活組織內(nèi)部。“無論是遠(yuǎn)程聚焦成像系統(tǒng)，還是數(shù)字全息光激活系統(tǒng)，都能分別執(zhí)行雙光子激活，我們結(jié)合二者就能同步執(zhí)行成像和光激活，還提高了觀察的空間精確性。”

 

新系統(tǒng)能跟隨神經(jīng)元一直延伸到組織中去，大大擴(kuò)展了觀察范圍。把功能成像和光激活整合在同一套設(shè)備中，不僅能觀察神經(jīng)元的位置和結(jié)構(gòu)，還能同時刺激其功能活動，讓人們能用它進(jìn)行關(guān)聯(lián)實驗。

 

研究小組還用這套設(shè)備對神經(jīng)樹突進(jìn)行了演示研究。用數(shù)字全息部分進(jìn)行光激活，能同時刺激或抑制三維空間的多個神經(jīng)元活動；同時，用遠(yuǎn)程聚焦系統(tǒng)可以記錄腦線路中同一個或不同神經(jīng)元的反應(yīng)。由此在關(guān)聯(lián)實驗中，可以刺激特定位置的某個神經(jīng)元，然后觀察該腦線路隨后的結(jié)果。此外，采用光刺激和記錄，還能降低實驗的侵入性，這在生理研究中是必須的。