一種新顯微鏡打破了長期以來的速度限制，記錄大腦活動錄像比科學家曾經認為可能的速度快15倍。它收集數據的速度足夠快，可以記錄神經元的電壓峰值和大面積釋放的化學信號，同時監測數百個突觸——這對於強大的雙光子顯微鏡成像技術來說是一個巨大的飛躍。訣竅不在於彎曲物理定律，而在於利用樣本的知識將相同信息壓縮成更少的測量值，其研究發表在《自然方法》上。科學家們利用這種新型顯微鏡觀察了神經遞質釋放到小鼠神經元上的模式。
直到此前，在活體動物大腦中捕捉這些毫秒級模式還是不可能的。科學家們使用雙光子成像技術來觀察不透明的樣本內部，就像活體大腦一樣，普通光學顯微鏡無法穿透這些樣本。這些顯微鏡使用雷射激發螢光分子，然後測量發出的光。在經典雙光子顯微鏡中，每次測量需要幾納秒，製作視頻需要對每幀圖像中的每一個像素進行測量。該研究的主要作者、Janelia的研究員卡斯帕波德戈爾斯基說：從理論上講，這限制了人們捕捉圖像的速度，你可能會認為這是一個基本限制。
但通過壓縮測量數據打破了這個極限，以前，這種速度只能在很小的區域內實現。新掃描線角投影顯微鏡（SLAP）使耗時的數據收集在幾個方面更有效率。它將多個像素壓縮成一個測量值，只掃描感興趣區域的像素，這要歸功於一種能夠控制圖像中哪些部分被照亮的設備。在雙光子成像開始之前拍攝的高解析度樣品圖片，指導了成像範圍，並允許科學家對數據進行解壓，以創建詳細的視頻。就像CT掃描儀通過從不同角度掃描病人來建立圖像一樣。
描線角投影顯微鏡將一束光沿著四個不同的平面掃過一個樣本。該範圍不是將光束路徑中的每個像素記錄為單獨數據點，而是將該線中的點壓縮為一個數字。然後，電腦程式對像素線進行整理，得到樣本中每個點的數據——有點像解一個巨大的數獨謎題。在掃描整個樣本所需的時間內，傳統逐像素掃描範圍只能覆蓋圖像的一小部分。這樣速度讓波德哥斯基的團隊能夠詳細觀察穀氨酸，一種重要的神經遞質，是如何被釋放到老鼠神經元的不同部位。
例如，在老鼠的視覺皮層中，發現神經元樹突上有許多突觸同時活躍的區域。當一個物體穿過老鼠的視野時，追蹤了老鼠大腦皮層的神經活動模式。研究的最終目標是將所有進入單個神經元的信號成像，以了解神經元如何將傳入的信號轉換成傳出信號。目前的範圍「只是前進了一步，但已經在構建第二代」。一旦擁有了這些，就不用再受顯微鏡的限制了。研究團隊正在升級掃描儀，以提高掃描速度，還在尋找跟蹤其他神經遞質的方法。
博科園｜研究/來自：霍華德休斯醫學研究所參考期刊《自然方法》DOI: 10.1038/s41592-019-0493-9博科園｜科學、科技、科研、科普