新型高速显微镜:比激光扫描技术快1000倍,助力脑疾病提研究

   梅芳竹清        

4月9日,香港大学宣布,该校电机电子工程系副教授和生物医学工程课程总监谢坚文博士,与美国加州大学柏克莱分校细胞及分子生物学的Ji Na教授合作带领的团队成功研发一款超高速显微镜——双光子萤光显微镜,能捕捉神经元之间的电子讯号和化学物质传递,为脑退化等脑疾病的研究提供线索。该显微镜采用了由该团队此前研发的超高速激光扫描技术,以一对平行的反射镜产生一排激光脉冲,速度比目前的激光扫描技术快至少1000倍。团队成功在实验中记录一只活体老鼠脑部神经元所产生在毫秒间闪现的电脉冲讯号。


新型高速显微镜:比激光扫描技术快1000倍,助力脑疾病提研究


相关研究成果,以“Kilohertz two-photon fluorescence microscopy imaging of neural activity in vivo”为题,发表在学术期刊《自然方法》(Nature Methods)上。


新型高速显微镜:比激光扫描技术快1000倍,助力脑疾病提研究


研究背景


我们的大脑内有数以百亿计的神经细胞(神经元) ,它们持续通过发送在一毫秒(0.001秒)转瞬即逝的化学物质和电子讯号来互相交流着。而在每一毫秒之间,这些数十亿计的讯号,在一闪而过的瞬间在脑部交织形成网状系统,激发出弯弯绕绕的亮光图案,这就是大脑控制情绪、感知、思想、行动和记忆等功能行为的起始点,而在一些异常情况下,一些脑神经病变,例如阿兹海默症和帕金逊症等的成因。


二十世纪的神经科学面临的重大挑战,是解构大脑神经活动的模式,为开发大脑潜能,以及为预防和治疗一些大脑神经疾病,提供线索。大脑研究的一个关键点,是捕捉脑部复杂闪现的神经活动,从而了解整个脑部当中层层相扣的互动情况。可是,以目前的技术,还未有显微镜速度高至能追踪这些讯号在转瞬之间的动态变化、成像记录下来。


创新


这台高速显微镜的核心技术,是早前由谢博士团队研发的一种超高速激光扫描技术— FACED,创新性利用了一对平行的反射镜来产生一排激光脉冲,速度比现有的激光扫描技术至少快1000倍。


新型高速显微镜:比激光扫描技术快1000倍,助力脑疾病提研究


在实验中,研究人员利用高速显微镜将扫描激光投射在小鼠脑部,为一只小鼠的大脑皮层进行每秒1000至3000次的二维扫描影像。研究小组采用了一种由美国史丹福大学Michael Lin博士研发的蛋白质分子感应器,植入老鼠大脑的神经元内,用作探测神经元之间确实的电讯号。


新型高速显微镜:比激光扫描技术快1000倍,助力脑疾病提研究


“这些人工改造的蛋白质,在电压变化的讯号通过神经元时,会发出亮光(萤光)。显微镜检测到这些萤光讯号后形成一个二维图像,显示出脑部电压讯号的位置。”谢博士说。


“这是一个相当令人兴奋的成果,现在我们终于能窥探到这些“神秘” 快速的神经元活动,从而加深对大脑功能的认知,更为重要的是为脑部疾病的研究提供基本的线索。”谢博士补充。


这项技术的另一个重要突破,是能够追踪那些极微弱、不会触发神经元达到活跃状态的讯号。这些微弱讯号(又称阈下讯号) 相信与许多大脑病变有关,但却极难捕捉和检测,以往因缺乏高速成像技术,一直未能深入研究。


除了神经元间的电子讯号,团队还利用高速显微镜捕捉老鼠大脑皮层的化学物质变化包括钙和谷氨酸(一种神经递质),它们慢动作传递的状况,深度达到大脑表面以下三分之一毫米。


这项新技术的优点是低创伤性,对实验动物的入侵性相比传统的研究方法低很多。传统记录脑部传导电流的方法是在大脑组织中植入或嵌入电极针,有机会对神经元造成伤害,并只能探测到在电极针附近的少数神经元所产生的模糊讯号。新技术不会伤害神经元,还能精确定位个别神经元,以毫秒为单位追踪它们的激发路径。


“这是一项非常独特的崭新科技,有能力侦测活脑中单一个神经元在毫秒间的活动变化,迄今为止未有技术能及。这将是神经科学研究的基石,能打开更准确‘解码’大脑神经讯号之门。”谢博士说。


研究团队将进一步扩展高速显微镜的功能,更深入探索大脑的神经活动模式。“我们计划进一步结合其他先进的显微镜技术,以实现更高分辨率、更广视野、更深入大脑皮层(约1毫米)的成像技术,深入侦测大脑的神经活动,进一步和更全面了解大脑的功能。”谢博士说。


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41592-020-0762-7


内容来源:新华社、香港大学

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