千龍網北京10月12日訊 據中科院網站消息，近日，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心王凱研究組（神經科學研究所）與溫泉研究組（中國科學技術大學微尺度國家實驗室）合作完成的論文《自由行為下幼年斑馬魚快速全腦神經活動成像》發表在eLife上。該研究發展了一種新型三維在體成像技術——擴增視場光場顯微技術（eXtended field-of-view Light Field Microscopy, XLFM），可以對斑馬魚幼體的全腦神經元進行高速神經活動功能成像。研究團隊將該成像技術與一套快速三維追蹤系統結合，實現了對自由行為下的幼年斑馬魚進行快速全腦神經元活動記錄，並首次捕捉到斑馬魚幼魚在捕食行為下高時空解析度的全腦神經活動。
據悉，研究打破了了長久以來神經科學領域只能對頭部固定的活體斑馬魚進行全腦功能神經活動研究的局限，為研究斑馬魚幼魚的感知運動神經環路提供了強有力的工具。
系統神經科學的中心目標之一，就是理解動物的神經環路活動與行為之間的聯繫。近年湧現的一批光學手段（如鈣信號螢光成像、光遺傳學等）已在神經科學領域取得了成功。在此過程中，斑馬魚幼魚因其體積小、光學透明、行為豐富等特徵成為理想的模式動物。光片顯微技術（light-sheet microscopy）、雙光子顯微技術（two-photon microscopy）已在揭示斑馬魚行為神經環路機制上顯示出潛力。
現有的斑馬魚全腦神經活動的記錄都是在頭部固定的活體斑馬魚上完成的。近年發展的虛擬實境技術（virtual reality）可以通過監測斑馬魚運動神經信號，並在斑馬魚周圍實時反饋相應的虛擬圖像來模擬自由運動的場景，但這種技術無法模擬一些較複雜的行為，例如捕食行為。更重要的是，在虛擬實境中，斑馬魚的本體反饋被忽略，本體反饋在感知運動行為中扮演著重要角色。因此，發展一套適用於自由行為下的斑馬魚幼魚全腦神經活動記錄的系統，成為斑馬魚研究領域的迫切任務。
此前，自由行為下的全腦成像技術已在其他小型動物上實現。由於斑馬魚幼魚運動時的加速度和速度極快，準確快速地對其腦部實現三維實時追蹤，無論是對系統硬體還是算法上都提出了很高的要求。此外，斑馬魚全腦的體積相對較大，如何在斑馬魚運動情況下實現對全腦的快速成像也是新挑戰。研究團隊從兩方面入手：科研人員開發了一套高速三維追蹤系統，解決了對快速運動的斑馬魚頭部實時追蹤的問題。在追蹤系統中，他們分別利用高速相機和一組特殊設計微透鏡實時監測斑馬魚頭部的水平和豎直位置，並將此位置反饋給高速位移臺和壓電陶瓷做水平與豎直方向的位置校正。針對成像方法，研究人員創造性地發展出了新型體成像技術——擴增視場光場顯微技術（XLFM）。該技術利用一組放置在成像系統傅立葉平面上的微透鏡陣列，可以同時將物體不同方向的投影成像到相機上，相機採集到的圖像經過特殊算法重構物體的三維信息。該成像方法不僅成像速度極快，以77Hz的速度記錄斑馬魚幼魚的全腦活動，且相較之前的體成像技術，空間解析度得到了大幅提高，達到了3.4μm×3.4μm×5μm，在斑馬魚全腦中已接近單細胞解析度。至此，該工作解決了斑馬魚幼魚的追蹤與成像兩大問題。
研究人員將XLFM與高速三維追蹤系統結合，捕捉到了斑馬魚幼魚捕食行為下的全腦活動。斑馬魚的捕食行為涉及動機、感知、決策、運動控制、反饋等一系列複雜的神經環路功能，受到神經科學領域的重點關注。長久以來，人們受限於研究工具無法深入研究捕食行為背後的神經環路機制。該工作的完成填補了這一缺陷，這將極大地促進對斑馬魚幼魚捕食等複雜行為神經機理的研究，對人們更好地理解感知運動相關的神經環路工作機理具有重要意義。該技術進一步拓展後亦可大規模監測其他小型動物神經系統的活動。