脑式显微镜研究新进展

       华盛顿——研究人员开发出一种微型显微镜，可以在活老鼠大脑内拍摄高分辨率的3D图像。通过对大脑进行更深入的成像，这种新的轻型显微镜可以帮助科学家更好地理解脑细胞和神经回路的运作方式。

       “随着进一步的发展，我们的显微镜将能够通过成像来记录动物在自然环境中或执行不同任务时的神经活动，”来自University of Colorado Boulder的主要作者Omkar Supekar说。“我们证明，它可以用来研究在多发性硬化症等神经疾病中发挥重要作用的细胞的活动。”

       在《Biomedical Optics Express》上，研究人员描述了他们的新SIMscope3D，它可以在样品暴露于特定波长的光后，根据组织或荧光标签发出的荧光得到相关图像。这个新设备是第一个利用结构照明去除失焦和散射光的微型显微镜，它可以用LED光源对固定的脑组织进行成像，深度可达260um。

       University of Colorado Anschutz MedicalCampus的研究小组负责人Emily Gibson说:“开发神经障碍的新疗法需要在细胞和电路水平上了解大脑。”“新的光学成像工具——尤其是像我们团队开发的显微镜那样可以对脑组织深层成像的工具——对于实现这一目标非常重要。”

图: 研究人员开发了一种脑式显微镜，利用结构照明，通过光学切片去除失焦光束。这使得可以实现深度成像，同时也增强了散射组织的图像对比度

看得更深

       脑式显微镜被植入小啮齿动物头骨，对动物的大脑进行成像。研究人员此前已经开发出了脑式宽视野荧光显微镜，但组织散射的光线阻碍对大脑深处进行成像。微型双光子显微镜可以通过消除每个焦平面的失焦光束来克服这一缺点——这一过程被称为光学切片——但通常需要昂贵的脉冲激光器和复杂的机械扫描组件。

       为了设计新型显微镜，来自the University of Colorado Anschutz Medical Campus生物工程系的AndrewSias、Sean Hansen、Gabriel Martinez和Emily Gibson;来自Arizona State University物理学系的DouglasShepherd;来自电子、计算机和能源工程系的Omkar Supekar和Juliet Gopinath，以及来自the University of Colorado Boulder机械工程系的Victor Bright与神经科学家GrahamPeet密切合作，来自细胞与发育生物学系的Diego Restrepo和Ethan Hughes以及来自科罗拉多大学安舒茨医学院生理与生物物理学系的Xiaoyu Peng和Cristin Welle对其进行优化，研究大脑相关活动。

       三维体积成像是通过使用成像光纤将空间图案的光传送到微型显微镜物镜来完成的。这一过程也消除了失焦光束，这种光学切片方法类似于双光子方法，但不需要复杂的组件或昂贵的激光。

       该显微镜包括一个紧凑的可调谐electrowetting透镜，通过改变显微镜的焦距深度，无需任何移动部件，就可以实现大脑结构的3D可视化。研究人员还将CMOS相机直接集成到显微镜中。这使得成像具有较高的横向分辨率，同时避免了图像通过纤维束时可能产生的伪影。这种新型显微镜使用LED光源，即使在深度成像高度散射的组织时，成像也能有强烈的对比度。

捕捉胶质细胞

       研究人员通过实验展示了他们的新系统，他们在清醒的小鼠身上对用荧光蛋白标记的少突胶质细胞和小胶质细胞进行成像，但需要将它们放置在一个保持头部静止的设备中。多发性硬化症患者的少突胶质细胞(在轴突周围形成一层绝缘层)被破坏，这使得大脑中的连接变慢，最终导致视觉障碍、运动障碍和其他问题。

       “我们用我们的微型显微镜记录了清醒的小鼠大脑120微米深处神经胶质细胞活动状态，”Supekar说。“科学家们并不完全确切地了解这些细胞是如何工作的，或者它们的修复过程。我们的显微镜可以帮助长期研究这些细胞如何迁移和修复。”

       研究人员现在正在努力提高显微镜的采集速度和数量。经过一些小的升级，当老鼠执行不同的任务时，显微镜将能够对更快的动态活动成像，如神经元电活动。研究人员说，由于显微镜不需要昂贵的组件，可以很容易地被开发成一个商业系统，用于神经科学实验室。