研究人员开发了一种革命性的双光子荧光显微镜，以高速和细胞分辨率捕捉神经活动，为大脑功能提供了前所未有的见解。

这种新方法比传统方法成像速度更快，对脑组织的伤害更小，可能会改变我们对神经元如何实时交流的理解，可能会在治疗阿尔茨海默氏症和帕金森病等神经系统疾病方面取得突破。

高速脑成像突破

研究人员开发了一种新的双光子荧光显微镜，可以以细胞分辨率捕获神经活动的高速图像。与传统的双光子显微镜相比，这种新方法成像速度更快，对脑组织的伤害更小，可以更清楚地了解神经元如何实时交流，从而对大脑功能和神经系统疾病产生新的见解。

实时神经动力学和脑功能

“我们的新显微镜非常适合实时研究神经网络的动态，这对于理解学习、记忆和决策等基本大脑功能至关重要，”来自加州大学戴维斯分校的研究小组负责人杨伟健（音译）说。“例如，研究人员可以用它来观察学习过程中的神经活动，以更好地理解这一过程中不同神经元之间的交流和相互作用。”

在Optica出版集团的高影响力研究期刊Optica上，研究人员描述了新的双光子荧光显微镜，它采用了一种新的自适应采样方案，并用线照明取代了传统的点照明。他们表明，这种新方法能够对小鼠皮层的神经元活动进行体内成像，成像速度比传统的双光子显微镜快十倍，同时还能将大脑上的激光功率降低十倍以上。

该论文的第一作者李云阳（音译）说：“通过提供一种可以实时观察神经元活动的工具，我们的技术可以用于研究疾病早期的病理。这可以帮助研究人员更好地理解和更有效地治疗神经系统疾病，如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和癫痫。”

低损伤高速成像

双光子显微镜可以通过扫描整个样品区域的一个小光点来激发荧光，然后逐点收集结果信号，从而对散射组织（如老鼠大脑）进行深入成像。然后重复此过程以捕获每个成像帧。虽然双光子显微镜可以提供详细的图像，但它速度很慢，而且会损伤脑组织。

在这项新工作中，研究人员旨在通过一种新的采样策略来克服这些限制。他们不是使用一个光点，而是使用一条短线来照亮大脑中神经元活跃的特定部位。这使得更大的区域可以被激发并一次成像，从而大大加快了成像过程。此外，因为它只对感兴趣的神经元成像，而不是背景或不活跃的区域，所以沉积到脑组织的总光能减少了，降低了潜在损伤的风险。他们称之为自适应抽样。

靶向成像的先进技术

研究人员通过使用一个数字微镜装置（DMD）—— 一个包含数千个可以单独控制的小镜子的芯片 —— 来动态地塑造和引导光束，从而精确地瞄准活跃的神经元。他们通过打开和关闭单个DMD像素来实现自适应采样，以适应被成像的脑组织的神经元结构。

研究人员还开发了一种使用DMD模拟高分辨率点扫描的技术。这使得从快速扫描中重建高分辨率图像，提供了一种快速识别感兴趣的神经元区域的方法。这对于后续采用短线激励和自适应采样方案的高速成像至关重要。

杨伟健说：“这些发展 —— 每一个都是至关重要的 —— 汇集在一起，创造了一个强大的成像工具，显著提高了实时研究动态神经过程的能力，降低了对活组织的风险。重要的是，我们的技术可以与其他技术相结合，如波束复用和远程聚焦，以进一步提高成像速度或实现体三维成像。”

以前所未有的速度捕捉神经活动

研究人员展示了这种新的显微镜，用它来成像活老鼠脑组织中的钙信号 —— 神经活动的指示器。该系统以198Hz的速度捕获这些信号，这比传统的双光子显微镜要快得多，并证明了监测快速神经元事件的能力，这些事件可能会被较慢的成像方法所遗漏。

他们还表明，自适应线激励技术与先进的计算算法相结合，使分离单个神经元的活动成为可能。这对于准确解释复杂的神经相互作用和理解大脑的功能结构非常重要。

未来的增强功能和应用

接下来，研究人员正在努力将电压成像功能集成到显微镜中，以捕捉神经活动的直接和极快的读数。他们还计划将这种新方法用于真正的神经科学应用，比如观察学习过程中的神经活动，以及研究疾病状态下的大脑活动。此外，他们的目标是改善显微镜的用户友好性，缩小其尺寸，以提高其在神经科学研究中的效用。

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