大脑活动现场直播

精心安排的激光、镜子和光学设备让研究人员能够以更加创新的方式探索大脑。

资料来源:田鹤

成像的力量确实可以看到细胞，并根据大脑解剖学绘制出它们的地图。

罗莎·科萨尔认为她知道记忆是什么样的。

在今年9月发表在《科学》杂志上的一项研究中，法国马赛地中海神经生物学研究所的神经生物学家科萨尔打开了老鼠的大脑，观察它在跑步机上跑步和休息时的神经活动。当老鼠奔跑时，它们海马体中的50个神经元依次放电，这可能有助于它们测量运动距离。然后，当老鼠休息时，这些神经元的一些子集再次放电。柯萨特怀疑重新激活过程与记忆编码和提取有关，就像老鼠回忆以前的练习一样。

“成像的力量可以真正看到细胞，不仅是激活的细胞，还有沉默的细胞，因此可以根据大脑解剖来画出它们。”她说。

目前，新技术还没有为柯萨特的假设提供证据，但是这些技术背后的微生物和神经活动标记代表了研究大脑连接的最新方法。过去，研究人员只能用植入大脑的电极一次研究几个神经元。但是纽约哥伦比亚大学脑科学中心主任拉斐尔·尤斯特说，新技术提供了大脑中正在发生的事情的原始图像，就像看只有几个功能像素的显示屏一样。

但是新技术正在丰富图像。现在科学家可以用颜色观察活的神经元。相关方法包括在微观水平上放大和捕获活动的单个神经元；它还包括整个大脑的神经元成像。尽管这些实验可以用现有的显微镜进行，科学家们仍在努力使它们适应特定的用途。这些设备目前正处于不同的商业化阶段。

多亏了双光子显微镜和神经元激活时指示器闪烁等技术创新，活体大脑领域的成像技术正在出现，让科学家能够更深入地了解大脑。例如，柯萨特将这两种方法结合起来进行自己的研究。

大量的资助项目也在推动这一领域的发展，尤其是美国的高级和创新神经技术大脑研究(BREAN)项目，该项目旨在提高研究人员绘制大脑图像的能力。美国国家卫生研究院(NIH)也与加拿大、澳大利亚和丹麦合作，共同资助研究人员参与大脑项目。在日本，用于疾病研究的大脑/思维计划包括对狨猴大脑的功能性磁共振成像分析等资助。

然而，参与这些项目的科学家仍然面临巨大的挑战。最大的挑战是大脑本身。其他挑战包括哺乳动物神经元难以置信的交流速度，以及如何从*到微观整合所有这些信息。尽管有这些限制，活体小鼠的大脑成像已经开始揭示在脑部疾病和衰老研究中神经元连接是如何沉默或再生的。

钙与循环

以中尺度中风研究为例。大脑中的血栓会损害神经元和神经通路。这些损伤在人体内很容易看到:功能性磁共振成像(fMRI)显示，中风会影响大脑两半球镜像区之间的血流，这种跨通道对于协调运动至关重要。

然而，仍然很难发现中风的细节，所以研究人员，包括密苏里州圣路易斯华盛顿大学医学院的神经科学家金-穆利，已经把他们的眼睛转向老鼠模型，研究这种疾病和可能的治疗方法。

然而，老鼠的大脑非常小，功能性核磁共振成像信号会在噪音中消失，所以李需要使用不同的技术来追踪血流。他的同事，生物医学工程师乔·卡尔弗向他介绍了一种叫做信号光学成像(OIS)的技术，这种技术可以捕捉与血氧水平相关的颜色变化。富氧血是红色的，缺氧血是蓝色的，不同的颜色可以通过使用相对基本的科学设备，通过老鼠的薄头骨，或者一个消费者可佩戴的叫做GoPro的相机来检测。

富氧地区比其他地区更活跃。为了研究神经连接，卡尔弗和他的同事观察了整个大脑皮层，假设富氧区域同步发光，并且可能是连接的。他称这种新方法为“功能光学信号成像”或fcOIS2。

卡尔弗说，这项技术为神经连接的变化提供了一个很好的初步指示，因为它可以作用于任何老鼠，包括柯萨特使用的一些标记，这些标记需要通过遗传过程编辑成老鼠神经元。然而，它仍然只是大脑活动的一个替代指标——进一步的技术是钙指标。

闪闪发光的类星体

钙指数已成为活体脑显微观察的重要指标。科学家可以看到每个神经元(至少在其显微成像平面上)，并根据时间的发展跟踪它们的活动。为了聚焦，科学家经常使用双光子显微镜。在标准显微镜中，荧光团只能被一束光激发，所以任何接收到一束光的荧光团都会发光，即使是那些位于焦平面之外的荧光团。

在双光子显微镜中，科学家使用波长更长的激光，因为荧光团必须能够同时吸收两个光子才能发光。由于两个光子撞击同一点的概率在激光焦点处更高，信号可以有效地限制在焦平面内。作为一个补充优势，波长越长，低能量光穿透组织越深。尤斯特说，通过扫描穿过大脑的激光束，显微镜师可以制作出深度为1毫米的高像素大脑图像。

然而，钙指数只是调节神经信号电子尖峰的一种媒介。加州大学圣地亚哥分校的神经物理学家大卫·柯菲德说，它们反射性神经交流的速度和响度相对较慢，“是峰值轨迹的遗迹”。弗吉尼亚詹格利亚研究所的神经生物学家和生物物理学家卡雷尔·斯沃博达说，钙在膜去极化后需要100毫秒才能结合到指示剂上，导致其形状改变并发出荧光。

荧光信号衰减到不发光状态大约需要半秒钟，因此两三个电子脉冲或“动作电位”可以通过，而钙系统在此期间只显示一个脉冲。“你可能会错过什么。”斯沃博达说。

高级显微镜

其他研究人员也在关注显微镜本身，尤其是三维成像。因为一起工作的神经元不能在一个平面上正确组合，扫描过程必须与通过大脑体积的信号同步。

瑞士苏黎世大学大脑研究所的联合主任弗里乔夫·赫尔姆陈说，每秒十帧或“滚动”是一个很好的基准。“这是大脑工作的时钟之一，”毫秒像素甚至更好，他补充道。

科罗拉多大学安舒茨医学院神经科学研究中心主任迭戈·雷斯特雷波说，这意味着显微镜设计者必须停止工作，即使活动部件被最小化。"当你把油倒在水上时，就会形成一个透镜."雷斯特雷波解释道。通过缩小镜头，他和他的同事设法使它非常稳定，这样当动物移动时它就不会上下跳动。

他们还可以通过改变电磁场来改变透镜的形状和焦平面。雷斯特雷波的团队将这种透镜与共焦显微镜和光纤系统结合使用，对大脑切片进行成像。现在他计划把这个装置放在老鼠的脑袋里。

放大和缩小

大多数二维和三维技术仍然受到大脑散射光线方式的限制，但是科学家们也有办法绕过这些限制。在纽约康乃尔大学，应用物理学家徐超超和他的同事推断，如果两个光子能够将成像推进到大约1毫米的深度，那么三个光子将能够进一步深化成像。

他说，实际上，徐的三光子成像可以达到两到三倍于双光子成像的深度，尽管这取决于成像的组织特征。他的团队成功地使用这种技术对小鼠海马体进行成像，而没有从上部移除任何皮层。

徐的团队仍然无法穿透大脑的所有通路。“事实上，我们还在表面上。”他承认，但与此同时，他说仍有很大的改进空间，还有发展其他活体大脑成像技术的空间。最终，这些不同的计划将实现尤斯特的神经科学梦想:解开神经放电模式与行为和感觉之间联系的“编码”。这项技术不能用来观察和解释老鼠视觉皮层的活动，但它必须给显示器增加许多像素。(晋南编)

中国科学新闻(2016-12-22第三版国际版)