科学|这一中国制造可抓拍斑马鱼捕食时单个神经元变化，助力解决神经科学核心问题
摘要：生命科学领域难得的“中国制造”
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能否抓拍到斑马鱼在捕食草履虫时单个神经元变化？解放日报·上观新闻采访人员获悉 ， 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）王凯研究组 ， 发展了一种新型体成像技术——共聚焦光场显微镜 。 这一生命科学领域难得的“中国制造”可以对活体动物脑组织中神经和血管网络进行快速大范围体成像 ， 比如 ， 可识别出斑马鱼幼鱼在捕食草履虫过程中单个神经元的钙离子活动变化 。 北京时间2020年8月10日 ， 这一新技术的相关论文在线发表于《自然·生物技术》 。
跨脑区、大规模的神经元如何整合信息并影响行为是神经科学中的核心问题 ， 解答这个问题需要更高时空分辨率的工具 。 传统的共聚焦显微镜和双光子显微镜时间分辨率较低 ， 难以研究大范围脑区中神经元的快速变化 。 因此 ， 近年来人们一直致力于开发更快的成像方法 。
在多种新技术中 ， 光场显微镜尤其具有潜力 。 其特点在于可以在相机的单次曝光瞬间 ， 记录来自物体不同深度的信号 ， 重构出整个三维体 ， 实现快速体成像 ， 在线虫、斑马鱼幼鱼等小型模式动物上已获得初步应用 。 然而 ， 光场显微镜存在两个难以解决的问题 ， 限制了其在生物成像上的广泛应用 。 首先 ， 重构的结果会出现失真 。 2017年 ， 王凯研究组研发的新型扩增视场光场显微镜有效解决了这个问题 ， 并成功应用于自由行为斑马鱼幼鱼的全脑神经元功能成像上 ， 首次三维记录了斑马鱼幼鱼在完整捕食行为中的全脑神经元活动的变化 。 其次 ， 现有光场显微成像技术缺乏光学切片能力 ， 无法对较厚的组织进行成像 ， 比如小鼠大脑 。
面对这一挑战 ， 研究团队创新提出广义共聚焦检测的概念 ， 使共聚焦显微镜可以与光场显微镜的三维成像策略结合 ， 在不牺牲体成像速度的前提下有效滤除背景噪声 ， 大幅度提高了灵敏度和分辨率 。 这种新型的光场显微成像技术称为共聚焦光场显微镜 。
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研究团队将共聚焦光场显微镜和高速三维追踪系统结合 ， 对自由行为的斑马鱼幼鱼进行全脑钙成像 ， 在 800 微米x 800 微米x 200微米的体积内达到了2 x 2 x 2.5立方微米的空间分辨率和6赫兹的时间分辨率 ， 比上一代光场显微镜分辨率提高了8倍 ， 从而可以识别出斑马鱼幼鱼在捕食草履虫过程中单个神经元的钙离子活动变化 。
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进而 ， 团队成员验证了共聚焦光场显微镜对小鼠大脑的成像效果 ， 对清醒小鼠的视皮层进行钙成像 ， 可以同时记录800 微米x 800 微米 x 150微米的体积内近千个神经元的活动 ， 最深可达约400微米 ， 并且连续5小时以上稳定记录超过10万帧 。 团队成员进一步尝试使用共聚焦光场显微镜对鼠脑中的血细胞进行成像 ， 深度可达600微米 ， 拍摄速度达70赫兹 ， 同时记录上千根血管分支中血细胞的流动情况并计算血细胞的速度 ， 相比之前的传统成像方法通量提高了百余倍 。
【科学|这一中国制造可抓拍斑马鱼捕食时单个神经元变化，助力解决神经科学核心问题】研究团队在自由行为的斑马鱼幼鱼和小鼠大脑上证明了共聚焦光场显微镜有更高的分辨率和灵敏度 ， 这为研究大范围神经网络和血管网络的功能提供了新的工具 。 同时 ， 该技术不仅适用脑组织的成像 ， 还可以根据所需成像的样品种类灵活调整分辨率、成像范围和速度 ， 应用在其他厚组织的快速动态成像中 。
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