一种新显微镜打破了长期以来的速度限制，记录大脑活动录像比科学家曾经认为可能的速度快15倍。它收集数据的速度足够快，可以记录神经元的电压峰值和大面积释放的化学信号，同时监测数百个突触——这对于强大的双光子显微镜成像技术来说是一个巨大的飞跃。诀窍不在于弯曲物理定律，而在于利用样本的知识将相同信息压缩成更少的测量值，其研究发表在《自然方法》上。科学家们利用这种新型显微镜观察了神经递质释放到小鼠神经元上的模式。
直到此前，在活体动物大脑中捕捉这些毫秒级模式还是不可能的。科学家们使用双光子成像技术来观察不透明的样本内部，就像活体大脑一样，普通光学显微镜无法穿透这些样本。这些显微镜使用激光激发荧光分子，然后测量发出的光。在经典双光子显微镜中，每次测量需要几纳秒，制作视频需要对每帧图像中的每一个像素进行测量。该研究的主要作者、Janelia的研究员卡斯帕?波德戈尔斯基说：从理论上讲，这限制了人们捕捉图像的速度，你可能会认为这是一个基本限制。
但通过压缩测量数据打破了这个极限，以前，这种速度只能在很小的区域内实现。新扫描线角投影显微镜（SLAP）使耗时的数据收集在几个方面更有效率。它将多个像素压缩成一个测量值，只扫描感兴趣区域的像素，这要归功于一种能够控制图像中哪些部分被照亮的设备。在双光子成像开始之前拍摄的高分辨率样品图片，指导了成像范围，并允许科学家对数据进行解压，以创建详细的视频。就像CT扫描仪通过从不同角度扫描病人来建立图像一样。
描线角投影显微镜将一束光沿着四个不同的平面扫过一个样本。该范围不是将光束路径中的每个像素记录为单独数据点，而是将该线中的点压缩为一个数字。然后，计算机程序对像素线进行整理，得到样本中每个点的数据——有点像解一个巨大的数独谜题。在扫描整个样本所需的时间内，传统逐像素扫描范围只能覆盖图像的一小部分。这样速度让波德哥斯基的团队能够详细观察谷氨酸，一种重要的神经递质，是如何被释放到老鼠神经元的不同部位。
例如，在老鼠的视觉皮层中，发现神经元树突上有许多突触同时活跃的区域。当一个物体穿过老鼠的视野时，追踪了老鼠大脑皮层的神经活动模式。研究的最终目标是将所有进入单个神经元的信号成像，以了解神经元如何将传入的信号转换成传出信号。目前的范围“只是前进了一步，但已经在构建第二代”。一旦拥有了这些，就不用再受显微镜的限制了。研究团队正在升级扫描仪，以提高扫描速度，还在寻找跟踪其他神经递质的方法。
博科园｜研究/来自：霍华德休斯医学研究所
参考期刊《自然方法》
DOI: 10.1038/s41592-019-0493-9
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