新显微镜系统使科学家对神经回路连接的观察更加清晰

大脑的学习能力来自“可塑性”，即神经元不断编辑和重塑与其他神经元形成回路的被称为突触的微小连接。为了研究可塑性，神经科学家试图在整个细胞中以高分辨率跟踪它，但可塑性不需要慢速显微镜才能跟上，脑组织因散射光线和使图像模糊而臭名昭著。

在《Scientific Reports》上的一篇论文中，麻省理工学院的工程师和神经科学家合作描述了一种新的显微镜系统，该系统旨在快速、清晰、频繁地对活体大脑进行成像。

该系统被称为“多线正交扫描时间聚焦”(mosTF)，其工作原理是用垂直方向的光线扫描脑组织。与其他依赖于“双光子显微镜”的实时脑成像系统一样，这种扫描光“激发”大脑细胞的光子发射，这些细胞在受到刺激时会发出荧光。

在团队的测试中，新系统被证明比逐点扫描的双光子瞄准镜快8倍，并且被证明比只在一个方向扫描的双光子系统有4倍的信号背景比(一种测量图像清晰度的方法)。

“在活体大脑的背景下追踪电路结构的快速变化仍然是一个挑战，”合著者Elly Nedivi, William R和Linda R. Young教授说，他们是Picower学习与记忆研究所和麻省理工学院生物、大脑和认知科学系的神经科学教授。

“虽然双光子显微镜是唯一一种可以对散射组织(如大脑)深处的突触进行高分辨率可视化的方法，但所需的逐点扫描在机械上很慢。mosTF系统在不牺牲分辨率的情况下显著缩短了扫描时间。”

扫描样品的整条线比一次只扫描一点要快，但它会引起很多散射。为了控制这种散射，一些瞄准镜系统只是将散射的光子作为噪声丢弃，但随后它们就丢失了，主要作者Yi Xue说，他是加州大学戴维斯分校的助理教授，也是通讯作者Peter T.C. So实验室的前研究生，Peter T.C. So是麻省理工学院机械工程和生物工程教授。

较新的单线和mosTF系统通过算法将散射的光子重新分配到它们的原点，产生更强的信号(从而解决受刺激神经元更小、更模糊的特征)。在二维图像中，使用二维垂直方向系统(如mosTF)产生的信息比使用一维单向系统更好地完成该过程。

“我们的激发光是一条线而不是一个点——更像一个灯管而不是一个灯泡——但是重建过程只能将光子重新分配到激发线上，而不能处理线内的散射，”Xue解释说。

因此，对于二维图像，散射校正仅沿一维进行。为了纠正两个维度上的散射，我们需要扫描样品并纠正其他维度上的散射，从而形成正交扫描策略。”

在这项研究中，研究小组用逐点瞄准镜(双光子激光扫描显微镜- TPLSM)和线扫描时间聚焦显微镜(lineTF)对他们的系统进行了正面测试。他们对荧光珠在水中和脂质注入溶液中成像，这种溶液能更好地模拟生物组织中产生的散射。在脂质溶液中，mosTF产生的图像的信背景比lineTF好36倍。

为了获得更明确的证据，Xue博士与Nedivi实验室的Josiah Boivin合作，使用mosTF对麻醉的活体小鼠大脑中的神经元进行成像。即使在这种复杂得多的环境中，血管搏动和呼吸运动也会带来额外的干扰，但mosTF示波器的信号背景比仍然高出4倍。

重要的是，它能够揭示许多突触所在的特征:沿着藤蔓状突起的刺，或从神经元细胞体中生长出来的树突。Nedivi说，监测可塑性需要能够观察整个细胞中这些脊椎的生长、收缩、生长和消失。

她补充说:“我们与So实验室的持续合作，以及他们在显微镜开发方面的专业知识，使得使用传统的开箱即用的双光子显微镜无法进行体内研究。”

他说，他已经在计划进一步改进这项技术。

“我们正在继续朝着开发更有效的显微镜的目标努力，以更有效地观察可塑性，”So说。“mosTF的速度仍然受到限制，因为需要使用高灵敏度、低噪音的相机，而这些相机通常很慢。我们现在正在研究下一代系统，该系统采用新型探测器，如混合光电倍增管或雪崩光电二极管阵列，既灵敏又快速。”

除了Xue, So, Boivin和Nedivi，该论文的其他作者是Dushan Wadduwage和Jong Kang Park。