EMBL团队开发出突破性光学技术，能清晰观察大脑深处的活神经元

2021-10-11 11:56

EMBL(位于德国海德堡的欧洲分子生物学实验室)的Prevedel小组开发了一种开创性的光学技术，基于两种最先进的显微镜方法——三光子显微镜和自适应光学。该技术使神经科学家能够观察大脑深处的活神经元，又或者隐藏在不透明组织中的任何其他细胞。

迄今为止，对神经科学家来说，观察在大脑皮层深层产生“钙波”（calcium waves）的星形胶质细胞，或观察海马状突起(大脑深处负责空间记忆和导航的区域)中的任何其他神经细胞，都是一项挑战。这种现象在所有哺乳动物的大脑中都有规律地发生。

而如今通过发展延伸这项新技术，来自Prevedel小组的Lina Streich和她的合作者可以以前所未有的高分辨率捕捉到这些多功能细胞的细微细节。这个国际团队包括了来自德国、奥地利、阿根廷、中国、法国、美国、印度和约旦的研究人员。

在神经科学中，大脑组织大多是在小型模型生物或体外样本中观察的，这些样本需要被切开才能观察，这两种情况都是非生理条件。

正常的脑细胞活动只发生在活的动物身上，但是“老鼠的大脑是高度分散的组织”。Robert Prevedel解释称：“在这些大脑中，光线不能很容易聚焦，因为它与细胞成分相互作用。这限制了你生成清晰图像的深度，这使得用传统技术聚焦大脑深处的小结构变得非常困难。”

该实验室的前博士生斯特里奇（Streich）花了4年多的时间来克服这个问题，科学家们现在可以进一步研究神经组织了。

“在传统的荧光大脑显微技术中，荧光分子每次吸收两个光子，你可以确保辐射引起的活动被限制在一个很小的体积内。”

Prevedel表示：“但光子传播得越远，就越有可能因为散射而丢失。”

克服这一问题的一种方法是增加活跃的光子的波长，使其接近红外线，这就确保了足够的辐射能量被荧光团吸收。此外，使用三个光子而不是两个光子可以在大脑深处获得更清晰的图像。但另一个挑战仍然存在：确保光子聚焦，使整个图像不模糊。

这就是自适应光学——Streich和她的团队使用的第二种技术发挥作用的地方。在Prevedel的实验室里，畸变（distortion）是由散射的不均匀组织引起的，但是在天文学中使用的自适应光学原理和技术，在这里是非常相似的。

Prevedel解释说:“我们还使用了一个主动控制的可变形镜子，它能够优化波阵面，让光线甚至在大脑深处汇聚和聚焦。”

“我们开发了一种定制的方法，使其足够快，可以用于大脑中的活细胞。”为了减少该技术的侵入性，该团队还减少了获取高质量图像所需的测量数量。

据报道，这是这些技术第一次被结合在一起，让研究人员们得以能以高分辨率显示活神经元的最深层活体图像。

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