當你走在路上，你的大腦中各種電子和化學信號不斷閃現，要捕捉到這些物質飛逝的路徑需要一台高速攝像機和一扇進入大腦的窗戶。

加州大學伯克利分校的研究人員現在已經製造出這樣一種照相機：一種顯微鏡，能夠以每秒成像1000次的速度捕捉處於(yu) 警戒狀態的老鼠的大腦，第一次記錄了毫秒電脈衝(chong) 通過神經元的過程。

加州大學伯克利分校物理學、分子生物學和細胞生物學副教授Na Ji說：“這真的很令人興(xing) 奮，因為(wei) 我們(men) 現在能夠做一些人們(men) 以前真的做不到的事情。”。

新的成像技術將雙光子熒光顯微鏡和全光激光掃描技術結合在一個(ge) 最先進的顯微鏡中，這種顯微鏡能夠以每秒3000次的速度對穿過小鼠大腦皮層的二維切片進行成像。它的速度足以追蹤流經大腦回路的電信號。

有了這項技術，神經科學家們(men) 現在可以在電信號通過大腦時對其進行計時，尋找與(yu) 疾病相關(guan) 的傳(chuan) 播問題。

這項技術的一個(ge) 關(guan) 鍵優(you) 勢是，它將使神經科學家能夠追蹤任何特定腦細胞從(cong) 其他腦細胞（包括那些不會(hui) 觸發發電的細胞）接收到的數百到數萬(wan) 個(ge) 輸入。這些亞(ya) 閾值的輸入——刺激或抑製神經元——逐漸累積到一個(ge) 高潮，觸發細胞激發一個(ge) 動作電位，將信息傳(chuan) 遞給其他神經元。

從(cong) 電極到熒光成像

典型的記錄大腦電活動的方法是，通過植入組織中的電極，當毫秒電壓變化通過時，檢測少數神經元的電脈衝(chong) 。這項新技術可以精確定位實際的放電神經元，一毫秒一毫秒地跟蹤信號的路徑。

加州大學伯克利分校的Helen Wills說：“在疾病中，很多情況發生在我們(men) 能看見的閾值以外，我們(men) 從(cong) 來沒有研究過疾病在閾下的變化。現在，我們(men) 有一個(ge) 處理這種問題的方法了。”

Ji和她的同事在《Nature Methods》雜誌上報道了這種新的成像技術。同期雜誌，她和其他同事還發表了另一篇論文，展示了一種不同的技術，可以同時對小鼠大腦整個(ge) 半球的大部分區域進行鈣信號成像，這種技術使用了結合雙光子成像和Bessel聚焦掃描的寬視場“介觀（mesoscope）”。

當信號通過大腦傳(chuan) 輸時，鈣濃度與(yu) 電壓變化有關(guan) 。

“這是第一次有人在三維空間同時展現出如此大範圍的大腦神經活動，這遠遠超出了電極所能做的。”這種方法能夠解析每個(ge) 神經元的突觸。

Ji的目標之一是了解神經元如何在大腦大區域內(nei) 相互作用，最終定位與(yu) 大腦疾病相關(guan) 的疾病回路。

“在包括神經退行性疾病在內(nei) 的大腦疾病中，患病的不僅(jin) 僅(jin) 是單個(ge) 神經元或少數神經元，”Ji說。“所以，如果你真的想了解這些疾病，你就要能夠在不同的大腦區域觀察盡可能多的神經元。通過這種方法，我們(men) 可以更全麵地了解大腦中正在發生的事情。”

雙光子顯微鏡

Ji和她的同事能夠窺視大腦，這得益於(yu) 探針可以固定在特定類型的細胞上，並在環境變化時變成熒光。例如，為(wei) 了跟蹤神經元中的電壓變化，她的研究小組使用了斯坦福大學（Stanford University）Michael Lin開發的一種傳(chuan) 感器，當電壓信號沿著細胞膜傳(chuan) 播時，當細胞膜去極化時，該傳(chuan) 感器就會(hui) 變成熒光。

然後研究人員用雙光子激光照射這些熒光探針，如果它們(men) 被激活，就會(hui) 發出光或熒光。發射的光被顯微鏡捕獲並合成二維圖像，該圖像顯示電壓變化的位置或特定化學物質的存在，例如信號離子“鈣”。

通過在大腦上快速掃描激光，科學家們(men) 就像拿著一個(ge) 手電筒逐漸揭示黑暗房間內(nei) 的場景。研究小組用一個(ge) 光學反射鏡替換激光的兩(liang) 個(ge) 旋轉反射鏡中的一個(ge) ，能夠每秒對一個(ge) 大腦層進行1000到3000次全二維掃描，這種技術被稱為(wei) “自由空間角度線性調頻增強延遲（FACED）”，由香港大學的Kevin Tsia開發。

千赫成像不僅(jin) 顯示了毫秒級的電壓變化，而且還顯示了更為(wei) 緩慢的鈣和穀氨酸（一種神經遞質）的濃度變化，這些濃度變化來自距離大腦表麵深至350微米（1/3毫米）的區域。

Ji現在正在研究結合四種技術——雙光子熒光顯微鏡、Bessel光束聚焦、FACED和自適應光學——來展現大腦皮層深處約1毫米厚的高速、高靈敏度圖像。

“為(wei) 了更好的了解大腦，我的夢想是結合這些顯微鏡技術，獲得亞(ya) 微米空間分辨率，這樣我們(men) 就可以看到突觸，電壓成像的毫秒時間分辨率，並看到大腦深處的所有這些，”她補充說。“大腦的複雜性和挑戰性在於(yu) ，如果你隻做一個(ge) 單一的光學部分，在某種程度上你並不能得到完整的圖像，因為(wei) 神經網絡是非常三維的。”

原文檢索：Kilohertz two-photon fluorescence microscopy imaging of neural activity in vivo

（生物通：伍鬆）