观察自由活动的大脑

- 编辑:大众自然网 -

观察自由活动的大脑

在凯撒大学工作的科学家们已经开发出一种小型的头戴式显微镜,可以观察大脑内部的工作情况。这个新系统可以用单细胞分辨率测量位于大脑皮层深处的神经元群的活动,这些神经元群在动物中可以自由活动。

了解动物大脑回路如何产生对环境作出反应的行为是神经科学的核心目标之一。虽然通过观察动物如何解决问题来研究动物行为是可能的,但理解大脑在产生行为中的作用需要同时测量大脑回路活动。

活体成像在生物学中并不是什么新鲜事:它可以追溯到显微镜的最初阶段。要观察大脑内部,可以使用特殊的显微镜来透视组织,从而观察工作中的神经回路。用显微镜来观察神经活动具有相对无创的优点。安装在大脑外部的显微镜只是把光送入大脑,反过来接收从大脑发出的光。虽然传统的显微镜过于笨重,无法从行为自由的动物身上进行功能性成像,但近年来,人们已投入大量精力开发头戴式微型显微镜。

2009年,Jason Kerr的团队与马克斯·普朗克神经生物学研究所(Martinsried)的Winfried Denk团队合作,建立了一个小型头戴式多光子显微镜。它能记录位于有意识、自由活动的大鼠的视觉皮层上几层的神经元群的活动。虽然这种“双光子光纤示波器”在测量自由活动的动物的大脑活动方面取得了突破,但大部分皮层仍然无法触及。为了在细胞水平上成像大脑皮层的深层,需要一种新的方法。

在马克斯·普朗克光科学研究所(Max Planck Institute for the Science of Light)与菲利普·拉塞尔(Philip Russell)的团队合作下,克尔的团队现在已经开发出一种小型头戴式多光子显微镜,能够对自由运动的大鼠的所有皮层进行成像。光线通过定制的设计和制造的玻璃纤维传输,利用“三光子效应”成像位于大脑皮层深处的神经元活动。与双光子或单光子荧光显微镜相比,三光子显微镜是理想的成像较深的散射组织,使更清晰的图像单细胞深入组织。新的显微镜可以对神经元群进行连续成像,即使当动物奔跑或执行复杂的行为任务时,也可以长时间观察。

研究人员希望这种纤维显微镜能广泛应用于行为研究,因为以前的显微镜成像深度有限,不适合长时间使用,限制了可以观察到的行为类型。有了这种新方法,研究人员现在能够理解复杂的神经计算背后的网络动态,进而形成感知和行为的基础。