脑声常谈：一种微型显微镜记录自由移动小鼠大脑内不同深度数千个神经元的活动

一种新的微型头戴式显微镜可以同时记录自由移动小鼠大脑内不同深度的数千个神经元的活动。迄今为止最小的功能性双光子显微镜，它可以对大脑中几乎任何地方的神经元进行成像，具有亚细胞分辨率。该设备名为 MINI2P（微型双光子显微镜），还可以在数周内从同一神经元簇中收集数据，使其可用于长期行为研究。

挪威首席研究员、特隆赫姆 Kavli 系统神经科学研究所神经科学教授Edvard Moser说：“如果你真的想了解认知或认知失败背后的原因，比如自闭症，你就需要研究神经元之间的相互作用”。

其他测量神经元活动的设备，例如Neuropixels 2.0，可以同时记录来自大脑 10,000 多个部位的信号。但它们的空间分辨率较低，无法始终确定在任何给定时间哪个特定神经元正在放电。传统上，其他微型显微镜也依赖可见光来照亮组织表面，但仅限于对大约 2,000 个神经元进行成像。

新设备可以监测一个 500 x 500 微米的大脑区域，并且可以一次捕获超过 10,000 个神经元的数据。一个典型的老鼠大脑大约有豌豆那么大，包含大约8500 万个神经元。

MINI2P 使用红外光来捕捉神经元的活动，这些神经元被设计用来表达GCaMP，这是一种在动作电位期间与钙离子结合并发出荧光信号作为回应的蛋白质。显微镜使用红外激光束测量荧光。

即使老鼠在笼子里爬来跳去，电控透镜系统也能快速切换新显微镜在大脑不同深度之间的焦点。MINI2P 是开源的，3 月份在Cell上进行了报道。

纽约西奈山伊坎医学院神经科学副教授Denise Cai说：“这个 MINI2P 系统可能会改变我们领域的游戏规则，”他没有参与这项研究并开发了微型单光子显微镜。他说，以单细胞分辨率和长时间记录运动小鼠的大量神经元，“将极大地扩展我们可以提出的问题类型，以及我们可以就行为背后的神经回路得出的结论。”

据 Moser 研究小组的研究员 Weijiian Zong介绍，MINI2P 在 Moser 实验室中的应用已有 20 多年。

去年在《自然方法》杂志上报道的该设备的早期版本重 4.2 克——足以减慢鼠标的速度并扰乱其自然运动。根据这项新研究，头上绑着 5 克块的老鼠移动速度比头上绑着 3 克块（或没有块）的老鼠慢三分之一多，移动距离大约是三分之一。

新版本的重量为 2.4 克，大约相当于一分钱。将其缩小到这样的尺寸需要三个工程进步： 更轻的外壳，由类似塑料的材料而不是铝制成；更细、更灵活的光缆，这样老鼠就可以在笼子里跑来跑去而不会被电线缠住；和一个微型可调镜头，当受到电的冲击时，它会迅速改变其曲率和焦点。每个镜头重 15 毫克，与智能手机相机中使用的镜头相当。

Zong 说，使用新镜头，研究人员可以比 GCaMP 的钙信号更快地对大脑的多个切片进行成像。换句话说，在一次实验中，当老鼠在笼子周围移动时，他们可以记录大脑多个深度的神经元活动，然后将这些记录合并以构建 3D 视频。在视频处理过程中应用运动校正算法可以减少数据噪声，即使鼠标从墙壁上爬下来也是如此。

在一项实验中，MINI2P 针对视觉皮层 2/3 层的兴奋性神经元。当老鼠在笼子里游来游去时，研究人员在大脑中的 25 个不同位置、两个不同的深度之间翻转，以同时收集来自 10,000 多个神经元的视频。在另一项实验中，他们在五周的时间内四次记录了同一批视觉皮层神经元。即使设备在记录之间被分离和重新连接，它们也能够匹配 36% 的细胞。

MINI2P 的激光器成本在 110,000 美元到 140,000 美元之间，单独的成本约为 3,000 美元。

丹佛科罗拉多大学安舒茨医学校区生物工程副教授Emily Gibson说，另一种显微技术，结构化照明，可能会提供一种更实惠的方式来收集类似数据。使用 500 美元的 LED（无需激光），Gibson 的团队构建了一个微型显微镜，可以在三个维度上对大脑深处120 微米的神经元进行成像。尽管如此，吉布森说，MINI2P“非常了不起”并且涉及“大量的工程和设计”。

没有参与这项工作的德国波恩大学医学中心小组组长Tobias Rose说，MINI2P 对于某些实验来说是有利的，因为它可以在几周内以亚细胞分辨率对相同的神经元簇进行成像。

这意味着研究人员可以随着时间的推移对轴突投射进行成像，例如，或者当老鼠学习一种行为时，以了解大脑的可塑性，Rose 说。“这是广角显微镜无法做到的。”