麻省理工學院和維也納大學的研究人員創建出一種揭示活體動物整個大腦神經活動的成像系統，并生成毫秒級的3D影像，可以幫助科學家了解神經元網絡如何處理感覺信息并產生行為。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成像秀麗隱桿線蟲每個神經元的活性，因此，它是唯一一個已知整個神經接線圖的生物。該1毫米蠕蟲有302個神經元，將其每個自然行為，如爬行成像。還觀察其神經元對感官刺激的反應，如氣味。以及一條斑馬魚幼蟲的整個大腦，提供了比以前更為全面的神經系統活動的信息。
該研究團隊的領導者之一、麻省理工學院生物工程和腦與認知科學副教授埃德·博伊登說，“只看大腦中的一個神經元活動是不能了解信息是如何被計算的，因此還需要知道其上面的神經元在做什么。而為了解既定神經元的活動意味著什么，必須能夠看到下游的神經元在做什么?？傊?，如果想了解信息是如何從感覺集成到所有的動作，就必須看到整個大腦的活動情況。”
新的方法還可以幫助神經科學家了解更多有關大腦疾病的生物學基礎。博伊登說，“我們真的不知道，對于任何腦部疾病，參與其中的確切細胞。在整個神經系統調查活動的能力可能有助于找出那些涉及腦部疾病的細胞或網絡，引導出新的治療思路。”
神經元編碼信息，包括感官數據、運動計劃、情緒狀態和想法。利用稱為動作電位的電脈沖，其閃光時引發鈣離子流進每一個細胞。當工程熒光蛋白與鈣結合而發光，科學家便可視化放電的神經元。然而，到現在為止，一直沒有辦法將這種神經活動在一個大容積的三維空間中高速呈現。
用激光束掃描大腦可以產生神經活性的3D圖像，但需要用較長的時間來拍攝圖像，因為每個點都必須單獨進行掃描。該研究小組想實現類似3D成像的效果加速這個過程，只在毫秒的瞬間看到神經元發生放電。
據《每日科學》、物理學家組織網報道，該方法是基于一種被稱為光場成像廣泛使用的技術，通過測量光的入射光線角度建立3D圖像。此前執行光場成像的顯微鏡已被開發。研究人員優化了光場顯微鏡，并將其首次應用到神經活動的成像。
用這種顯微鏡，由樣本發射的光通過在不同方向折射光的透鏡陣列成像。樣本的每一個點產生約400種不同的光點，然后可以使用計算機算法重建3D結構。
研究人員說，“如果在樣本中有一個發光分子，并不是僅僅將其如普通相機的做法重新調整成一個點，而是這些微小的鏡頭將光投射到許多點上。由此，可以推斷出這個分子在三維空間的位置。”
研究人員說，光場顯微鏡的缺點是分辨率不如慢慢掃描樣本的技術好。當前的分辨率足以看到單個神經元的活動，而研究人員現在努力改進它，以便顯微鏡也可被用于部分神經元的成像，如從神經元的主體分支出來的長樹突。他們也希望能加快計算過程，目前需幾分鐘的時間來分析一秒鐘成像的數據。
研究人員還計劃將該技術與光遺傳學結合，使神經元放電由對細胞工程表達光敏蛋白閃亮的光進行控制。通過用光線刺激神經元和觀察大腦的其他地方，科學家能夠確定哪些神經元參與了特定的任務。
哈佛大學物理學教授薩穆埃爾說，這種做法似乎是一個“非常有前途”的方式，加快生成活的、移動著的動物行為相關的神經元活動的3D圖像。未來許多實驗室都有可能將其采用。
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