头戴式显微镜带来前所未有的小鼠神经元活动视图

附着在活老鼠头部的微型显微镜使研究人员能够获得有关复杂行为背后的神经元通路的重要见解。现在，研究人员报告了新一代头戴式显微镜，其视场直径约为 4 毫米 (mm)，比以前的设计大一个数量级，同时重量明显减轻。

研究人员通过记录四只自由活动的小鼠数千个神经元的活动来证明显微镜的功能。来自麻省理工学院的 Joseph R. Scherrer 将在2023 年 4 月 23 日至 27 日在不列颠哥伦比亚省温哥华举行的Optica 生物光子学大会上详细介绍这项新研究。Scherrer 的演讲定于太平洋夏令时间 4 月 24 日 14:15-14:30 (UTC – 07:00)。

“神经科学的一个主要目标是了解思想和行为是如何由大量神经元的协调活动产生的。尽管最近出现了一次记录数千个神经元的新工具的爆炸式增长，但这种增长是有代价的;使用这些工具的神经科学家仅限于研究头部固定动物的不自然和简单的行为，”Scherrer 说。“我们的新光学设计克服了这一限制，使科学家能够对神经活动进行同样类型的大规模观察，但在自由活动的动物身上进行自然和复杂的行为。最终，对这些复杂行为的不受限制的研究对于理解我们自己的大脑如何产生丰富的人类行为至关重要。”

大脑活动的更广阔窗口

虽然科学家可以使用多种方法来跟踪固定在一个位置的实验动物的大脑活动，但头戴式显微镜对于研究涉及运动的行为(例如社交互动和导航)具有独特的价值。然而，现有的用于小鼠等小动物的头戴式显微镜的视野仅限于小于一毫米，将同时记录的神经元数量限制在最多数百个。

拥有更大的视野对于揭示复杂行为背后的神经元基础非常重要，复杂行为涉及大量神经元在大脑不同区域协同工作。除了大视野外，新设备的重量仅为 1.4 克，比以前的头戴式显微镜轻得多，因此可以使用更长时间而不会妨碍移动。

更轻的设备的好处是，研究团队可以同时在同一只动物身上使用多个显微镜，对多个大脑区域或脊髓中的更多神经元进行成像。

为实现这一目标，研究人员使用光导和耦合棱镜来引入光的激发，而不是之前设计中使用的二向色滤光片。这减少了照明选项的尺寸和重量，并允许研究人员使用专为智能手机相机设计的尖端镜头组件。与之前在过程中牺牲分辨率以实现更大视野的尝试相比，新设计具有足够的分辨率来区分整个视野中的单个神经元。

追踪千个神经元

研究小组通过同时记录多只自由移动的老鼠的一千多个神经元来展示新显微镜。通过测量钙在神经元复合体中的运动，他们能够解码小鼠在迷宫中的位置，并量化大脑不同区域中包含的位置信息量。

研究人员使用微小的荧光珠评估图像分辨率，表明显微镜在视野中心的分辨率为四微米 (μm)，在边缘处的分辨率约为 5 μm。与现有的头戴式显微镜相比，神经元胞体的直径通常为 10-25 微米，分辨率足以分辨单个神经元并将它们彼此区分开来。

研究人员表示，新显微镜可以帮助科学家开发和测试跨大型神经群体和多个大脑区域之间的认知计算模型。由于不同小鼠的头戴式显微镜的工作效果存在很大差异，他们指出，未来用于连接显微镜的手术技术的改进可能有助于减少差异性并进一步改善结果。

Scherrer 说：“我们正在努力让这些工具作为低成本的交钥匙系统广泛提供给神经科学家。” “在未来的设计迭代中，我们希望结合其他最近开发的微型光学技术，进一步提高性能。”

关于 Optica Biophotonics Congress

Optica Biophotonics Congress 是一年一度的会议，每年交替举办一次，重点关注生物医学光学和生命科学中的光学。2023 年会议 Optica 生物光子学大会：生命科学中的光学，探讨了光学成像领域的最新工具和技术，重点是显微成像和相关应用的先进技术。会议将以混合会议形式呈现，包括面对面和虚拟参与选项。

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