研究人员创造了一种新的双光子荧光显微镜，可以快速捕捉脑细胞活动的高精度图像。这种创新的方法相比传统双光子显微镜，能够更快地成像并减少对脑组织的损害。因此，它可能提供对神经元实时交流方式更好的理解，潜在地导向对脑功能和神经系统疾病的新认识。
“我们的新显微镜非常适合在实时中研究神经网络的动态，这对理解学习、记忆和决策等核心脑功能至关重要，”加州大学戴维斯分校研究团队的负责人杨维建表示。“例如，研究人员可以利用它观察学习过程中的神经活动，从而更好地了解各种神经元在这一过程中是如何相互作用和交流的。”
在Optica出版的期刊上，研究人员详细介绍了新的双光子荧光显微镜，该显微镜具有新颖的自适应采样技术，并用线照明替代了传统的点照明。研究表明，这种新方法可以以十倍于传统双光子显微镜的速度在小鼠皮层进行活体成像，同时将激光对大脑的影响降低到十倍以上。
“有了可以实时观察神经元活动的工具，我们的技术有望为从最早阶段研究疾病病理提供贡献，”研究的主要作者李云阳提到。“这可以提高研究人员对阿尔茨海默病、帕金森病和癫痫等神经系统病症的理解和治疗。”
高速成像与减少损害
传统双光子显微镜可以深度穿透散射组织，如小鼠大脑，通过在整个区域扫描一个小光点刺激荧光，逐点捕捉发出的信号。这个过程重复以形成每帧图像。虽然双光子显微镜能够创建详细图像，但速度较慢，且可能对脑组织造成损伤。
在这项新研究中，研究人员寻求通过创新的采样策略来解决这些挑战。他们不再依赖单个光点，而是使用一条短光线来刺激神经元活动的指定脑区。这种方法能够同时激发和成像较大区域，从而大幅加快成像过程。此外，它只关注活跃神经元，而不是周围不活跃的区域，从而减少总光能量对大脑的影响，进而降低损伤风险。这种技术被称为自适应采样。
该团队通过使用数字微镜设备（DMD）实现了这一点，该设备由成千上万个可以独立控制的小镜子组成，可以动态地塑造和引导光束，精确地瞄准活跃的神经元。他们通过选择性地打开和关闭DMD像素实现自适应采样，根据所观察脑组织的神经元结构进行调整。
此外，研究人员还设计了一种技术，利用DMD模拟高分辨率点扫描。这种设置允许从快速扫描中重建高分辨率图像，提供了一种快速定位感兴趣神经区域的方法。这一步对于后续使用短线激发和自适应采样策略进行的高速度成像至关重要。
“这些进展——每一个单独来看都至关重要——组合在一起形成了一种强大的成像工具，大大增强了我们实时研究动态神经过程的能力，同时降低了对活组织的潜在风险，”杨解释道。“重要的是，我们的技术可以与其他方法结合，如束多路复用和远程聚焦，以进一步提升成像速度或实现体积3D成像。”
捕捉神经活动
研究人员通过在活小鼠脑组织中成像钙信号（表明神经活动）展示了新的显微镜。该系统能够以198 Hz的速度捕获这些信号，显著快于传统双光子显微镜，并能检测到较慢方法可能遗漏的快速神经元活动。
此外，他们还展示了自适应线激发技术结合先进的计算算法可以隔离单个神经元的活动。这种能力对于准确解读复杂的神经交互和理解大脑功能结构至关重要。
展望未来，研究人员正致力于为显微镜添加电压成像能力，以实现神经活动的即时和快速读取。他们还计划在实际神经科学场景中应用新方法，例如监测学习过程中的神经活动，以及在疾病条件下检查脑功能。此外，还在积极努力提高显微镜的可用性并减小其尺寸，使其更适合神经科学研究。
