同步三维成像让大脑无需扫描

 

观察大脑在三维空间处理感觉及概念信号分两步走：一是拍摄神经结构，二是刺激并记录神经信号。研究人员解释说，以往的观察手段是通过扫描或平行刺激拍摄三维图像或记录三维光刺激，都没有和光学观察手段结合，这就限制了人们对微小神经区域的研究。

 

将数字全息与远程聚焦两项技术相结合可实现独立的光激活与成像。数字全息让人们能在三维空间同时设定更多激发点，在此过程中，用于激活的激光和显微镜结合在一起穿过主目标；而远程聚焦使用了和主仪器对称的另一台显微镜，在较远位置重新生成目标图像。

 

“由于成像平面是根据第二台显微镜的操作来选择，光激活就变成了完全独立的过程。”领导该研究的瓦伦蒂娜·埃米利安妮解释说，“尤其在用蓝色灯光产生一致照明的情况下，照亮样本并激发荧光，当光反射回摄像机时，远处显微镜就会生成一幅完美的荧光样本图像，研究人员可以通过移动镜面选择最后的成像平面。”

 

双光子激活成像是目前神经科学研究中的标准模式，埃米利安妮说，该成像系统最重要的革新是对该光激活与成像系统中运行的双光子激活进行了改良，提高了光学部分的观察能力，使光激活达到亚微米的尺度（相当于亚细胞结构，如树突的脊部），并能穿透活组织内部。“无论是远程聚焦成像系统，还是数字全息光激活系统，都能分别执行双光子激活，我们结合二者就能同步执行成像和光激活，还提高了观察的空间精确性。”

 

新系统能跟随神经元一直延伸到组织中去，大大扩展了观察范围。把功能成像和光激活整合在同一套设备中，不仅能观察神经元的位置和结构，还能同时刺激其功能活动，让人们能用它进行关联实验。

 

研究小组还用这套设备对神经树突进行了演示研究。用数字全息部分进行光激活，能同时刺激或抑制三维空间的多个神经元活动；同时，用远程聚焦系统可以记录脑线路中同一个或不同神经元的反应。由此在关联实验中，可以刺激特定位置的某个神经元，然后观察该脑线路随后的结果。此外，采用光刺激和记录，还能降低实验的侵入性，这在生理研究中是必须的。