大腦活動現場直播 科學家用創新方法獲得大腦工作高清圖像

精心排列的激光、鏡面和光學設備讓研究人員以更創新的方式探索大腦。

圖片來源：He Tian

成像的力量確實能夠看到細胞，從而基於大腦解剖結構繪製它們。

Rosa Cossart認為她知道記憶看起來像什麼了。

在今年9月發表於《科學》的一項研究中，來自法國馬賽地中海神經生物學研究所的神經生物學家Cossart打開了小鼠的大腦，以觀測當小鼠在跑步機上跑步以及休息時的神經活動。當小鼠跑步時，它們海馬中的50個神經元依次放電，這或有助於它們測量移動距離。隨後，當小鼠休息時，那些神經元的某些子集再次放電。Cossart懷疑，再次激活過程與記憶編碼和檢索有關，就像小鼠在回憶此前的練習。

「成像的力量確實能夠看到細胞，不僅能看到激活的細胞，而且還有沉默的細胞，從而基於大腦解剖結構繪製它們。」她說。

目前，新技術尚未為Cossart的假設提供證據，但這些技術背後的微生物和神經活動標記代表了研究大腦連接的最新方法。過去，研究人員僅能利用植入大腦的電極一次研究幾個神經元。但新技術提供了一個關於大腦在發生什麼的原始圖像，就像僅用幾個功能像素查看一個顯示屏那樣，美國紐約哥倫比亞大學腦科學中心主任Rafael Yuste說。

但新技術正在充實這一圖像。現在，科學家可以觀看帶有顏色的鮮活神經元。相關方法包括Cossart在微觀層面放大並捕捉活動中的單個神經元；此外還包括整個大腦的神經元成像。儘管利用現有顯微鏡也能進行這些實驗，但科學家仍在設法定製它們使其適應具體的目的。這些設備目前正處於各種商業化階段。

多虧諸如雙光子顯微術以及當神經元被激活時指示器閃光等技術創新，活體大腦領域成像正在興起，它讓科學家可以對大腦更深層成像。例如，Cossart 就將這兩種方法結合用於自己的研究。

大量資助計劃也在推動這一領域向前發展，尤其是美國先進創新神經技術腦研究（BRAIN）計劃，它旨在提高研究人員繪製大腦圖像的能力。美國國立衛生研究院（NIH）也與加拿大、澳大利亞和丹麥合作，共同資助參與BRAIN計劃的研究人員。在日本，疾病研究創新神經技術（Brain/MINDS）項目則包括資助諸如對絨猴大腦進行功能性磁共振成像（fMRI）分析。

然而，參與這些項目的科學家仍面臨很大挑戰。最大的挑戰是大腦物質本身。其他挑戰包括哺乳動物神經元交流令人難以置信的速度，以及如何從中央到微尺度整合所有這些信息。儘管存在這些限制，活體小鼠腦成像已經在大腦疾病和衰老研究中開始揭示神經元連接如何靜默或是再生長。

鈣和循環

以中尺度中風研究為例。大腦中的血栓會損傷神經元以及神經通路。這些損傷在人體內很容易看見：功能磁共振成像（fMRI）表明，中風會影響大腦兩個半球鏡像成像區域之間的血流，這種串道對於協調運動非常關鍵。

但探測中風細節仍存在困難，因此包括密蘇里聖路易斯華盛頓大學醫學院神經學家Jin-Moo Lee在內的研究人員將目光轉移到小鼠模型，用來研究這種疾病及其可能的治療方法。

然而，小鼠大腦非常小，fMRI信號會在雜訊中消失，因此Lee需要轉向不同的技術跟蹤血流。他的同事、生物醫學工程師Joe Culver介紹給他一種叫作信號光學成像（OIS）的技術，它能夠捕捉與血液氧氣水平相關的顏色變化。富含氧氣的血液是紅色的，缺少氧氣的血液呈現藍色，不同顏色可以利用比較基礎的科學設備通過小鼠稀薄的顱骨檢測到，或者是一種叫作GoPro的消費者可穿戴相機。

富氧的地方比其他地方更加活躍。為了研究神經連接，Culver及其同事觀察了整個大腦皮層，假定富含氧氣的地方同步發光，可能被連接。他將這種新方法稱作「功能性光學信號成像」或是fcOIS2。

這種技術對神經連接變化提供了良好的初步顯示，Culver說，因為它可以對任何小鼠起作用，包括Cossart使用的一些標記需要經過遺傳過程編輯到小鼠神經元。然而，它依然只是大腦活動的替代指標——進一步的技術是鈣指標。

閃爍的類星體

鈣指標已經成為活體大腦顯微鏡觀察的重要指標。科學家能夠看到每個神經元（至少在其顯微鏡成像平面上）並根據時間發展跟蹤它們的活動。對於這種聚焦，科學家經常利用雙光子顯微術。在標準的顯微技術中，熒光團可以僅通過一束光喚起，為此任何接收到光束的熒光團都會亮起，即便是那些位於焦點平面以外的熒光團。

在雙光子顯微術中，科學家利用波段更長的激光，因為熒光團一定能夠同時吸收兩個光子發光。由於雙光子撞擊同一個點的幾率在激光聚焦點更高，信號便可以有效地局限於焦點平面。作為一種補充優勢，波長越長，低能光線就能更深入地滲透組織。通過掃描穿過大腦的激光，顯微技術工作者能夠構建一幅1毫米深度的高像素大腦圖像，Yuste說。

然而，鈣指標僅是調節神經信號電子棘波的代理者。它們反射神經交流的速度響度比較慢，「是一個高峰軌跡的遺迹」，加州大學聖迭戈分校神經物理學家David Kleinfeld說。鈣在膜去極化之後大約要花費100毫秒結合到指示器上，使其改變形狀及發出熒光，弗吉尼亞州珍妮莉婭研究院神經生物學家和生物物理學家Karel Svoboda說。

熒光信號還要花費半秒左右衰變為未發光的狀態，因此兩或3個電子脈衝或是「動作電位」能夠通過，而在此段時間內，鈣系統僅會顯示一個脈衝。「你可能會錯過一些東西。」Svoboda說。

先進顯微鏡

其他研究人員也在聚焦顯微鏡自身，尤其是三維成像。因為一起工作的神經元在單一平面中並不會適當地組合，掃描過程必須與穿過腦容量的信號保持同步。

每秒10幀或「卷」是一個很好的基準，瑞士蘇黎世大學腦研究所聯合所長Fritjof Helmchen說。「這是大腦工作的時鐘之一」，毫秒像素甚至更好，他補充說。

這意味著顯微鏡設計者必須讓事物停下腳步，即使移動部分最小化，科羅拉多大學安舒茨醫學院神經科學研究中心主任Diego Restrepo說。「當你在水上倒入油時，會形成一個透鏡。」Restrepo解釋說。通過讓透鏡變小，他和同事設法使其變得非常穩定，這樣它就不會在動物活動時上下跳動。

它們還能通過改變電磁場從而改變透鏡的形狀和焦點平面。Restrepo的團隊曾利用這種透鏡與共聚焦顯微鏡，以及一個纖維光學系統結合，用來給大腦切片成像，現在他計劃將該設備放入小鼠的頭部。

放大和縮小

大多數二維和三維技術依然受到大腦如何散射光的限制，但科學家也有辦法規避這些限制。在紐約康奈爾大學，應用物理學家Chris Xu及其同事推理，如果兩個光子能夠將成像推到1毫米深度左右，那麼3個光子將能夠進一步加深成像。

實際上，Xu的3光子成像能夠達到雙光子成像深度的兩到3倍，他說，儘管這取決於要成像的組織特徵。他的團隊設法利用這種技術對小鼠海馬體成像，而不用清除上部的任何皮質。

Xu的團隊仍然不能滲透穿過大腦的所有通路。「實際上，我們仍停留在表面。」他坦承，但他同時表示仍有很大提升空間，還有空間發展其他活體大腦成像技術。最終這些不同的計劃將能實現Yuste的神經科學夢想：解開神經放電模式與行為和感覺相連接的「編碼」。這種技術尚不能被用於查看及解釋小鼠視覺皮層的活動，但它一定為顯示器增加了不少像素。（晉楠編譯）