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新技术使蠕虫神经系统3D可视化

摘要 : 麻省理工学院和维也纳大学的研究人员创建出一种揭示活体动物整个大脑神经活动的成像系统,并生成毫秒级的3D影像,可以帮助科学家了解神经元网络如何处理感觉信息并产生行为。该研究成果刊登在近日的《自然-方法》上。

研究人员使用这种技术成像秀丽隐杆线虫每个神经元的活性,因此,它是唯一一个已知整个神经接线图的生物。该1毫米蠕虫有302个神经元,将其每个自然行为,如爬行成像。还观察其神经元对感官刺激的反应,如气味。以及一条斑马鱼幼虫的整个大脑,提供了比以前更为全面的神经系统活动的信息。

该研究团队的领导者之一、麻省理工学院生物工程和脑与认知科学副教授埃德·博伊登说,“只看大脑中的一个神经元活动是不能了解信息是如何被计算的,因此还需要知道其上面的神经元在做什么。而为了解既定神经元的活动意味着什么,必须能够看到下游的神经元在做什么。总之,如果想了解信息是如何从感觉集成到所有的动作,就必须看到整个大脑的活动情况。”

新的方法还可以帮助神经科学家了解更多有关大脑疾病的生物学基础。博伊登说,“我们真的不知道,对于任何脑部疾病,参与其中的确切细胞。在整个神经系统调查活动的能力可能有助于找出那些涉及脑部疾病的细胞或网络,引导出新的治疗思路。”

神经元编码信息,包括感官数据、运动计划、情绪状态和想法。利用称为动作电位的电脉冲,其闪光时引发钙离子流进每一个细胞。当工程荧光蛋白与钙结合而发光,科学家便可视化放电的神经元。然而,到现在为止,一直没有办法将这种神经活动在一个大容积的三维空间中高速呈现。

用激光束扫描大脑可以产生神经活性的3D图像,但需要用较长的时间来拍摄图像,因为每个点都必须单独进行扫描。该研究小组想实现类似3D成像的效果加速这个过程,只在毫秒的瞬间看到神经元发生放电。

据《每日科学》、物理学家组织网报道,该方法是基于一种被称为光场成像广泛使用的技术,通过测量光的入射光线角度建立3D图像。此前执行光场成像的显微镜已被开发。研究人员优化了光场显微镜,并将其首次应用到神经活动的成像。

用这种显微镜,由样本发射的光通过在不同方向折射光的透镜阵列成像。样本的每一个点产生约400种不同的光点,然后可以使用计算机算法重建3D结构。

研究人员说,“如果在样本中有一个发光分子,并不是仅仅将其如普通相机的做法重新调整成一个点,而是这些微小的镜头将光投射到许多点上。由此,可以推断出这个分子在三维空间的位置。”

研究人员说,光场显微镜的缺点是分辨率不如慢慢扫描样本的技术好。当前的分辨率足以看到单个神经元的活动,而研究人员现在努力改进它,以便显微镜也可被用于部分神经元的成像,如从神经元的主体分支出来的长树突。他们也希望能加快计算过程,目前需几分钟的时间来分析一秒钟成像的数据。

研究人员还计划将该技术与光遗传学结合,使神经元放电由对细胞工程表达光敏蛋白闪亮的光进行控制。通过用光线刺激神经元和观察大脑的其他地方,科学家能够确定哪些神经元参与了特定的任务。

哈佛大学物理学教授萨穆埃尔说,这种做法似乎是一个“非常有前途”的方式,加快生成活的、移动着的动物行为相关的神经元活动的3D图像。未来许多实验室都有可能将其采用。

原文摘要:

Simultaneous whole-animal 3D imaging of neuronal activity using light-field microscopy

Robert Prevedel, Young-Gyu Yoon, Maximilian Hoffmann, Nikita Pak, Gordon Wetzstein,Saul Kato, Tina Schrödel, Ramesh Raskar, Manuel Zimmer, Edward S Boyden & Alipasha Vaziri

High-speed, large-scale three-dimensional (3D) imaging of neuronal activity poses a major challenge in neuroscience. Here we demonstrate simultaneous functional imaging of neuronal activity at single-neuron resolution in an entire Caenorhabditis elegans and in larval zebrafish brain. Our technique captures the dynamics of spiking neurons in volumes of ~700 μm × 700 μm × 200 μm at 20 Hz. Its simplicity makes it an attractive tool for high-speed volumetric calcium imaging.

来源: 科技日报 浏览次数:72

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