为了了解大脑，科学家们必须能够逐细胞逐刻地观察脑细胞。然而，由于大脑由数十亿个微小的运动部件组成，忠实地记录它们的活动带来了许多挑战。例如，在密集的哺乳动物大脑中，很难追踪多个大脑结构中细胞的快速变化——尤其是当这些结构位于大脑深处时。洛克菲勒大学科学家们开发了一种新的显微镜技术，将新的和现有的方法结合起来，帮助建立一个更有凝聚力的大脑图像。发表在在《细胞》中，该技术以令人印象深刻的速度和新的深度捕捉了大量神经组织的细胞活动。
激光聚焦
博科园：几十年来，大脑成像一直被权衡所困扰。有些技术可以生成漂亮的图像，但无法实时记录神经活动。其他可以跟上大脑的速度，但空间分辨率很差。尽管有一些策略可以成功地将速度和图像质量结合起来，但它们通常只能捕获少量的细胞。神经技术和生物物理学实验室的负责人AlipashaVaziri说：部分原因是控制这些权衡的限制还没有被系统和综合地探索和推进。瓦兹里希望结束权衡利弊的时代，他努力改进一种被称为双光子显微镜的技术。它涉及到激光的应用，激光能使脑组织发出荧光或发光；对于许多研究人员来说，2p一直是探测大脑细胞活动的黄金标准。
使用一种新的显微镜技术，研究人员同时从小鼠大脑皮层(绿色)和海马(蓝色)记录下来，明亮的区域与细胞活动有关。（可视化动图如下图）图片：Rockefeller University
然而，这种技术也有局限性。标准2p显微镜需要对给定区域逐点扫描，这导致成像速度较慢。为了解决这个问题，Vaziri和同事实施了一种新的策略，允许从多个大脑区域并行记录，同时仔细控制每个记录点的大小和形状。传统2p的另一个弱点是，它只测量大脑的表面或皮层，忽略了深埋在器官内部的结构，如海马状突起，海马状突起与存储记忆有关。神经科学面临的最大挑战之一是开发成像技术，在保持高分辨率的同时测量大脑深部区域的活动。为了迎接这个挑战，决定使用一种新的技术：三光子显微镜。
虽然2P不能超出老鼠大脑的表面或皮层，但3p可以穿透更深的区域。Vaziri最新发明被称为混合多路复用雕刻光学显微镜(HyMS)，它同时应用了2P和3P技术，使研究人员能够生成一幅跨越多层脑组织的快速细胞活动的图像。除了混合激光战略，HyMS还集成了该领域最近的其他技术和概念上的进步，这是一种协同的方法，指导了该技术的发展。目标是通过多光子激发显微镜获取尽可能多的生物信息，同时最小化这种方法产生的热量。当测试新系统时，科学家们获得了很多信息。HyMS拥有现有3p技术中最高的帧率，这意味着它可以以创纪录的速度捕捉生物变化。
以前的技术只扫描单一平面的组织，而这项技术可以从整个组织样本中获取信息，并允许用户一次记录多达12000个神经元。HyMS另一个优势是它能够同时测量大脑不同深度区域的活动。由于大脑的不同层次不断地交换信号，追踪这些区域之间的相互作用是了解器官如何运作的关键。在此之前，人们甚至无法同时观察皮层整个深度的神经元活动。有了这项技术，可以看到大脑皮层内部、皮层和皮层下结构之间的信息流是什么样。除了探索新的深度，HyMS还使研究人员记录动物在积极参与环境活动时的大脑活动。
例如，在一项实验中，研究人员使用这项技术记录了数千只老鼠在跑步机上行走或听声音时神经元发出的信号。他们能够获得良好的记录这一事实表明，当动物执行不同的任务时，这项技术可能被用于监测大型细胞群——这一应用可能有助于阐明行为和认知的各个方面的神经机制。此外，像HyMS这样的技术对于希望更好地理解大脑如何处理信息的研究人员来说是至关重要。大脑中的神经元紧密相连，信息往往不是由单个细胞表示，而是由网络状态表示。要理解网络的动态，需要在单神经元水平上精确测量大脑的大部分。
