变革大脑成像技术，只为记录更多大脑神经元

来源：BioArt

脑研究的一个主要目标是对神经元群体的动态进行成像记录。人类大脑中约有860亿个神经元，小鼠大脑中约有7100万个神经元。即使是最简单的行为也涉及到大量神经元的相互作用，因此可以说，记录的神经元越多，我们对大脑的探索就越准确。

光学成像可以提供高分辨率（直接观察到单个神经元）和非侵入性（即不伤害大脑，可实现活体成像）。更重要的是，光学方法可以记录特定细胞类型、可以测量神经元的动态变化。对于深层脑成像，多光子显微镜（Multi-photon microscopy, MPM）是目前主要的成像手段。

由Denk和Webb在1990年（Science, 1990，Webb课题组，现为Chris Xu课题组）发明的双光子显微镜直接促进了近30年神经科学的飞速发展。2013年，Chris Xu课题组再次发明了三光子显微镜（Nature Photonics, 2013），将小鼠大脑成像的深度由500微米提高到了1500微米以上，首次实现了无损伤海马体成像（Nature Methods, 2017; Nature Methods 2018），再次推动了神经科学的科研高潮。

目前的MPM一般在光子散粒噪声极限下工作，因此在保证高空间和时间分辨率的前提下，可以成像的神经元数量受到信号光子的限制，而信号光子又由生物样品的最大允许平均功率和峰值功率决定。具体来说，当平均功率过高时，大脑从光源中吸收过多热量，将会导致脑温度过高而坏死；而峰值功率过高时，焦点处的激光将会直接破坏神经结构。如何进一步提高成像神经元数量已经不能通过简单的提高光源或者显微镜的性能来实现，这是一个基础问题。

2019年12月2日，Bo Li（李博）和Chris Xu在Nature Methods杂志上发表文章An adaptive excitation source for high-speed multiphoton microscopy，针对上述问题给出的解决方案是：即不提高平均功率，也不提高峰值功率，而且将可记录的神经元数量提高30倍以上。

例如对于大脑皮层来说，神经元并不是完全占据了所有空间，它大约只占大脑空间的10%以下。也就是说，超过90%的激光被浪费在扫描没有信息的大脑部分，例如神经元之间的区域。因此，如果我们能开发出一种“聪明”的激光光源（自适应光源，Adaptive excitation source, AES），并且将光源与显微镜的扫描同步，这样当显微镜扫描到有效信息时，激光光源将开放；而显微镜扫描到无效信息时，激光光源将关闭（当然，前提是我们需要首先扫描整个区域来了解哪里是有效区域）。通过这种方法，Bo Li（李博）和Chris Xu在不伤害大脑的情况下，再次将可记录的神经元数量提高30倍以上！图1给出了系统的工作原理。目前，他们的工作展示了750微米的成像深度、700x700微米的超大视场、30帧每秒的成像速度，其中既包括双光子成像，也包括三光子成像。

图1：自适应光源AES的工作原理。（a）激光光源将周期性光脉冲送入多光子激光扫描显微镜，得到神经元图像。（b）当得到神经元图像后，该信息被送回AES。AES相应的将非周期性的光脉冲送入多光子激光扫描显微镜，由于光源和显微镜是同步的，导致每一个光脉冲都扫描在了神经元上。

尽管改进大脑活动记录将会让人类有可能进一步探索大脑，但是这种将让光源来适应样品信息的理念代表了成像系统的新方向。该技术不仅会为大脑研究带来突破，也将对整个成像的技术领域带来改革。AES可以和任何显微镜结合使用，既可以应用于双光子显微镜，也可以应用于三光子显微镜，这使得该技术能够直接应用到成像领域中。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41592-019-0663-9