新技術(shù)使蠕蟲神經(jīng)系統(tǒng)3D可視化

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   　 麻省理工學(xué)院和維也納大學(xué)的研究人員創(chuàng)建出一種揭示活體動物整個大腦神經(jīng)活動的成像系統(tǒng)，并生成毫秒級的3D影像，可以幫助科學(xué)家了解神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)如何處理感覺信息并產(chǎn)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(shù)成像秀麗隱桿線蟲每個神經(jīng)元的活性，因此，它是唯一一個已知整個神經(jīng)接線圖的生物。該1毫米蠕蟲有302個神經(jīng)元，將其每個自然行為，如爬行成像。還觀察其神經(jīng)元對感官刺激的反應(yīng)，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(jīng)系統(tǒng)活動的信息。

　　該研究團隊的領(lǐng)導(dǎo)者之一、麻省理工學(xué)院生物工程和腦與認(rèn)知科學(xué)副教授埃德·博伊登說，“只看大腦中的一個神經(jīng)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(jīng)元在做什么。而為了解既定神經(jīng)元的活動意味著什么，必須能夠看到下游的神經(jīng)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(jīng)科學(xué)家了解更多有關(guān)大腦疾病的生物學(xué)基礎(chǔ)。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(xì)胞。在整個神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)查活動的能力可能有助于找出那些涉及腦部疾病的細(xì)胞或網(wǎng)絡(luò)，引導(dǎo)出新的治療思路。”

　　神經(jīng)元編碼信息，包括感官數(shù)據(jù)、運動計劃、情緒狀態(tài)和想法。利用稱為動作電位的電脈沖，其閃光時引發(fā)鈣離子流進每一個細(xì)胞。當(dāng)工程熒光蛋白與鈣結(jié)合而發(fā)光，科學(xué)家便可視化放電的神經(jīng)元。然而，到現(xiàn)在為止，一直沒有辦法將這種神經(jīng)活動在一個大容積的三維空間中高速呈現(xiàn)。

　　用激光束掃描大腦可以產(chǎn)生神經(jīng)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(xiàn)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(jīng)元發(fā)生放電。

　　據(jù)《每日科學(xué)》、物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，該方法是基于一種被稱為光場成像廣泛使用的技術(shù)，通過測量光的入射光線角度建立3D圖像。此前執(zhí)行光場成像的顯微鏡已被開發(fā)。研究人員優(yōu)化了光場顯微鏡，并將其首次應(yīng)用到神經(jīng)活動的成像。

　　用這種顯微鏡，由樣本發(fā)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(chǎn)生約400種不同的光點，然后可以使用計算機算法重建3D結(jié)構(gòu)。

　　研究人員說，“如果在樣本中有一個發(fā)光分子，并不是僅僅將其如普通相機的做法重新調(diào)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(shù)好。當(dāng)前的分辨率足以看到單個神經(jīng)元的活動，而研究人員現(xiàn)在努力改進它，以便顯微鏡也可被用于部分神經(jīng)元的成像，如從神經(jīng)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(shù)據(jù)。

　　研究人員還計劃將該技術(shù)與光遺傳學(xué)結(jié)合，使神經(jīng)元放電由對細(xì)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(jīng)元和觀察大腦的其他地方，科學(xué)家能夠確定哪些神經(jīng)元參與了特定的任務(wù)。

　　哈佛大學(xué)物理學(xué)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(guān)的神經(jīng)元活動的3D圖像。未來許多實驗室都有可能將其采用。