新型显微镜以毫秒级分辨率拍摄神经元电活动

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来源：科技日报

科技日报记者 张佳欣

据最新一期《自然·方法》杂志报道，美国麻省理工学院研究人员开发出一种新型显微镜，能够以毫秒级时间分辨率，对斑马鱼整个大脑中分布的神经元电活动进行成像。研究人员利用这一技术，追踪到了紫外光刺激后斑马鱼全脑范围内神经元活动的变化。这一突破性进展有望帮助神经科学家绘制这些神经网络图，从而更好地了解神经活动如何影响行为和其他大脑功能。

大脑中的神经元通过电脉冲传递和处理信息，彼此连接形成庞大网络。要理解大脑如何工作，不仅要观察单个神经元，还要了解不同脑区的神经元如何协同活动。目前，钙成像是研究神经元活动的常用方法，但钙信号变化较慢，通常只能在秒甚至分钟尺度上观察，难以捕捉快速的神经电脉冲。相比之下，电压成像可以直接记录神经元的电活动。

为了将电压成像拓展到整个大脑，研究人员改造了一种光片显微镜，并利用基因编码电压指示器监测神经元活动。当神经元产生电脉冲时，指示器会发出荧光。他们同时提高了显微镜相机的采集速度，并利用“远程重新聚焦”技术加快扫描速度，使其能够以每秒约200次的速度扫描整个斑马鱼大脑，即每5毫秒完成一次扫描。

为了测试这种新型显微镜，研究人员通过基因工程使斑马鱼幼体的神经元表达一种名为Positron2-Kv的电压指示器。虽然最终只有约1/4的神经元产生了足够强的信号，但研究人员仍能观察到分布于整个大脑的神经活动模式。在静息状态下，他们捕捉到了单个神经元的电压尖峰以及快速连续的放电活动。

当斑马鱼受到紫外光刺激后，负责接收和处理视觉信息的视顶盖首先出现神经活动，随后活动从该区域一侧向另一侧传播。同时，小脑和后脑中还出现了与刺激无关的连续神经活动。

此次研究提供了一种在较大范围内直接观察神经元电活动的方法，有望帮助科学家进一步研究大脑如何产生特定行为，以及脑活动与不同精神状态之间的联系。

关键词： 荧光 速度 显微镜 神经元 斑马鱼 电脉冲