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光场显微镜实现神经活动D成像

时间:2019-08-15 19:05:51 来源:互联网 阅读:1次

  这一新方法,发表在2014年5月18日的《Nature Methods》杂志,也能帮助科学家对脑部疾病的生物学基础有更多了解。Boyden称: 对于任何脑部疾病来说,我们真的不知道具体涉及到哪些细胞。调查整个神经系统的活动,可以帮助我们确定涉及脑部疾病的细胞或络,为治疗方法带来新的思路。

  Boyden研究小组与维也纳大学Alipasha Vaziri实验室及维也纳分子病理学研究所合作,开发了这种大脑影像方法。研究的作者是麻省理工学院研究生Young-Gyu Yoon和维也纳大学博士后Robert Prevedel。

  神经元利用电子脉冲(称为动作电位)来编码信息 感官数据、协调区、情感状态和思想,从而引起钙离子流入每个放电的细胞中。科学家通过使生物工程荧光蛋白在结合钙之后发光,可以观察该神经元的放电。然而,直到现在还没有一种方法能够以很高的速度,实现大体积范围内的这些神经元活动成像。

  用激光束来扫描大脑能产生神经活动的三维图像,但是捕获一副图像需要很长的时间,因为每个点必须单独扫描。麻省理工学院研究小组希望实现类似的三维成像,但是加快这个过程,以使他们能够看到神经元放电,它的发生仅需几毫秒。

  该方法是基于一种广泛使用的技术,称为光场成像(light-field imaging),通过测量入射光线的角度产生 D图像。本文共同作者、麻省理工学院媒体艺术与科学副教授Ramesh Raskar,广泛从事开发这种类型的 D成像。先前,多个小组就已经开发出光场成像显微镜。在这项新研究中,麻省理工学院和奥地利的研究人员优化了光场显微镜,并用它首次实现神经活动的成像。 利用这种显微镜,正在成像的样品所发出的光线,通过一排镜头发送,这些镜头可在不同的方向折射光线。样品的每个点会产生大约400个不同的光点,然后利用计算机算法将它们重新结合,重建 D结构。

  Boyden称: 如果你在样品中有一个发光分子,这些微小的镜头不是仅仅将其聚焦成照相机上的一个点(像常规显微镜),而是把它的光线投射到许多点上。根据这些,你可以推断分子所在的三维位置。 活动中的神经元

  研究人员使用这种技术,实现了秀丽隐杆线虫的神经活动成像,它的整个神经线路图都是已知的。这种1毫米长的蠕虫有 02个神经元,当它进行神经活动(如爬行)时,研究人员能够拍摄到每个神经元。他们还观察到感官刺激(如气味)所产生的神经反应。

  Boyden称,光场显微镜的缺点是,分辨率不如慢慢扫描样品的技术那样好。当前的分辨率足够高,能看到单个神经元的活动,但是研究人员正在努力改进,以使显微镜也能用来影像神经元的一部分,如神经元主体上分支出来的长树突(dendrites)。他们还希望加快计算过程,目前需要几分钟的时间来分析一秒钟的成像数据。

  研究人员还计划将这一技术与光学遗传学结合起来,可通过把光照射在工程表达光敏感蛋白的细胞表面,控制神经元的放电。通过利用光线刺激神经元,观察大脑中的其他部位,这样科学家就可以确定哪些神经元正在参与特定的任务。

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