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新型显微镜将改变大脑活动的成像

导读新近开发的显微镜为科学家提供了大大增强的工具,以研究诸如癫痫病和阿尔茨海默氏病等神经系统疾病如何影响神经元的交流。显微镜经过优化,

新近开发的显微镜为科学家提供了大大增强的工具,以研究诸如癫痫病和阿尔茨海默氏病等神经系统疾病如何影响神经元的交流。显微镜经过优化,可以使用光遗传学技术进行研究,光遗传学是一种相对较新的技术,利用光来控制和成像用光敏蛋白进行基因修饰的神经元。

“我们的新型显微镜可用于探索不同基因突变对神经元功能的影响,”美国哈佛大学的亚当·科恩(Adam Cohen)以及开发该显微镜的研究团队的负责人说。“有一天它可以被用来测试候选药物对神经系统疾病患者神经元的作用,从而试图确定用于治疗目前尚无足够治疗方法的药物。”

这种称为萤火虫的新型显微镜可以成像直径为6毫米的区域,比大多数用于光遗传学的显微镜的视野大一百倍。无需研究一个神经元的电活动,而是可以通过较大的成像区域触发神经元进行通信的电脉冲,然后观察这些脉冲在整个包含数百个细胞的大型神经回路中从一个细胞传到另一个细胞。在大脑中,每个神经元通常会连接到其他一千个神经元,因此查看较大的网络对于了解神经系统疾病如何影响神经元交流非常重要。

在光学学会(OSA)的《生物医学光学快报》上,科恩和他的同事报告了他们是如何使用几乎所有可商购的组件以不到100,000美元的价格组装新显微镜的。显微镜不仅可以对大面积成像,而且可以非常有效地收集光。这提供了观看每个仅持续千分之一秒的神经元电脉冲所必需的高图像质量和快速速度。

用光看神经元火

新型显微镜非常适合研究实验室中生长的人类神经元。在过去的十年中,科学家为许多神经系统疾病开发了人类细胞模型。可以对这些细胞进行基因修饰,使其包含光敏蛋白,使科学家能够利用光使神经元发光或控制诸如神经递质水平或蛋白聚集等变量。其他对光敏感的荧光蛋白将来自神经元的不可见电脉冲转换为可以成像和测量的短暂荧光闪烁。

这些技术使科学家能够研究单个神经元的输入和输出,但是未对商用显微镜进行优化以充分利用光遗传学方法的潜力。为了填补这一技术空白,研究人员设计了萤火虫显微镜,以包含一百万个光点的复杂模式刺激神经元,然后记录与神经元发射的电脉冲相对应的短暂荧光闪烁。

光图案的每个像素可以独立地刺激光敏蛋白。因为像素可以是许多不同的颜色,所以可以立即触发不同类型的光敏蛋白。可以将光模式编程为覆盖整个神经元,刺激神经元的某些区域或用于一次照亮多个细胞。

“这种光学系统可提供一百万个输入和一百万个输出,使我们能够看到这些神经文化中正在发生的一切,” Cohen解释说。

刺激神经元后,显微镜使用摄像头以每秒一千帧的速度成像,以捕获由极短的电脉冲引起的荧光。“光学系统必须在毫秒内高效检测良好的信号,”科恩说。“开发光学器件需要大量工程,这些光学器件不仅可以对大面积成像,而且可以非常高的集光效率进行成像。”

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