近日美國(guó)麻省理工學(xué)院和奧地利維也納大學(xué)的研究學(xué)者創(chuàng)造了一個(gè)成像系統(tǒng)，能夠揭示活體生物大腦里的神經(jīng)活動(dòng)。這項(xiàng)技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)生整個(gè)大腦的3D動(dòng)畫(huà)，它將幫助科學(xué)家研究神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)是如何處理感官信息從而產(chǎn)生行為的。 

光場(chǎng)顯微鏡下的神經(jīng)活動(dòng)成像

       研究小組利用新的系統(tǒng)同時(shí)對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)（Caenorhabditis elegans ）的每一個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)以及斑馬魚(yú)幼蟲(chóng)的整個(gè)大腦進(jìn)行成像，從而提供了神經(jīng)元系統(tǒng)活動(dòng)更加完整的圖片。

       “觀察大腦里一個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)并不能為你展示大腦是如何處理信息的，你需要知道上一個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。而為了理解一個(gè)特定神經(jīng)元活動(dòng)的意義，你又必須知道下一個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)?！泵绹?guó)麻省理工學(xué)院大腦、認(rèn)知科學(xué)和生物工程學(xué)副教授埃德·博伊登(Ed Boyden)這樣說(shuō)道。簡(jiǎn)言之，如果你想要了解感官信息是如何集合并形成行為的，你必須了解整個(gè)大腦的活動(dòng)。

       而最新的這個(gè)方法將幫助神經(jīng)科學(xué)家了解更多有關(guān)大腦紊亂的生物學(xué)基礎(chǔ)。“我們并不知道大腦紊亂所涉及的特定細(xì)胞集。” 博伊登說(shuō)道?！罢{(diào)查整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)或可以幫助確定大腦紊亂所涉及的細(xì)胞或者網(wǎng)絡(luò)，從而產(chǎn)生治療方法的新觀點(diǎn)。”博伊登帶領(lǐng)的研究小組與維也納大學(xué)的研究人員合作提出了一種描繪大腦的新方法。

       高速3D成像

       神經(jīng)元利用名為放電特性(Action Potentials, APs)的電子脈沖可以編碼信息——感官數(shù)據(jù)、情緒狀態(tài)和思想，這種電子脈沖會(huì)刺激鈣離子流入每一個(gè)細(xì)胞。通過(guò)注入與鈣結(jié)合時(shí)會(huì)發(fā)光的熒光蛋白，科學(xué)家們能夠?qū)⑸窠?jīng)元的發(fā)射可視化。然而，在此之前一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)這些神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行高速的大范圍3D成像。

       利用激光束掃描大腦可以產(chǎn)生神經(jīng)元互動(dòng)的3D圖像，但捕捉這樣的圖片需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，因?yàn)槊恳粋€(gè)點(diǎn)都必須單獨(dú)掃描。麻省理工學(xué)院的研究小組希望獲得相似的3D成像，但加速這一過(guò)程從而實(shí)現(xiàn)觀測(cè)神經(jīng)元的發(fā)射很困難，后者一般發(fā)生的非常快，只有幾毫秒的時(shí)間。

       最新的方法是基于一種被廣泛應(yīng)用的名為光場(chǎng)成像(light-field imaging)的技術(shù)，通過(guò)測(cè)量進(jìn)來(lái)光線的角度從而創(chuàng)造3D圖像。研究首席作者、美國(guó)麻省理工學(xué)院媒體藝術(shù)與科學(xué)的副教授拉梅什·拉斯卡（Ramesh Raskar）一直都在研究這種3D成像技術(shù)。在此之前其它科研小組已經(jīng)研發(fā)了運(yùn)行光場(chǎng)成像的顯微鏡，而在這項(xiàng)最新的研究里，研究人員將這種光場(chǎng)顯微鏡最優(yōu)化并將其首次應(yīng)用于神經(jīng)元活動(dòng)成像。

        利用這種顯微鏡，樣本釋放的光被發(fā)送經(jīng)過(guò)透鏡陣列，后者會(huì)在不同的方向折射光。樣本的每個(gè)點(diǎn)大約會(huì)產(chǎn)生400多個(gè)不同的光的點(diǎn)，利用電腦算法將這些點(diǎn)重新結(jié)合便可以再現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)?！叭绻麡颖纠镉幸粋€(gè)釋放光的分子，傳統(tǒng)顯微鏡會(huì)將它重新聚焦在單一的點(diǎn)上，但我們的透鏡陣列可以將光投射在很多點(diǎn)上，由此你可以推測(cè)出這個(gè)分子所處的三維位置?！?博伊登說(shuō)道。

       奧地利維也納大學(xué)的博士后羅伯特·普雷韋代爾（Robert Prevedel）建造了這個(gè)顯微鏡，而這項(xiàng)研究的研究首席作者、美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究生楊奎尹（Young-Gyu Yoon）修改了電腦算法從而重建了3D圖像。

       美國(guó)哈佛大學(xué)的物理學(xué)家教授艾拉文森·塞繆爾（Aravinthan Samuel）表示這種方法看起來(lái)“非常有前景”，它能夠加速對(duì)移動(dòng)活體生物進(jìn)行3D成像，從而將它們的神經(jīng)元活動(dòng)與行為相聯(lián)系?！斑@項(xiàng)研究最令人印象深刻的方面在于這是一種非常簡(jiǎn)單的方法，”塞繆爾說(shuō)道，他并未參與這項(xiàng)研究，“我可以想像很多實(shí)驗(yàn)室都可以應(yīng)用這種方法?！?/p>

       活動(dòng)中的神經(jīng)元

       研究人員利用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了秀麗隱桿線蟲(chóng)的神經(jīng)活動(dòng)成像，這是唯一一個(gè)整個(gè)神經(jīng)線路圖都已知的生物。這種1毫米長(zhǎng)的蠕蟲(chóng)有302個(gè)神經(jīng)元，當(dāng)它執(zhí)行自然行為時(shí)，例如爬行，研究人員能夠?qū)γ總€(gè)神經(jīng)元進(jìn)行成像。他們還觀察到這種生物對(duì)感官刺激（如氣味）所產(chǎn)生的神經(jīng)反應(yīng)?！　?/p>

       博伊登稱，光場(chǎng)顯微鏡的缺點(diǎn)是它的分辨率不如緩慢掃描樣本技術(shù)那么好。但目前的分辨率足夠高，可以看到單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)，研究人員仍在努力改進(jìn)，使得顯微鏡也能用于對(duì)某些神經(jīng)元部分進(jìn)行成像，例如從神經(jīng)元主體上分支出來(lái)的長(zhǎng)樹(shù)突。他們還希望加快計(jì)算過(guò)程，目前分析一秒鐘的成像數(shù)據(jù)需要幾分鐘時(shí)間。　　

       研究人員還計(jì)劃將這一技術(shù)與光學(xué)遺傳學(xué)相結(jié)合，通過(guò)將光照射在表達(dá)光敏感蛋白的細(xì)胞表面，從而控制神經(jīng)元的發(fā)射。通過(guò)用光刺激神經(jīng)元，并觀察大腦中其它區(qū)域的活動(dòng)，科學(xué)家可以確定哪些神經(jīng)元參與了特定活動(dòng)。這項(xiàng)研究被發(fā)表在5月18日的期刊《自然-方法》(Nature Methods)上。