显微镜系统使科学家对神经回路连接的看法更加清晰

大脑的学习能力来自“可塑性”，其中神经元不断编辑和重塑称为突触的微小连接，这些连接与其他神经元形成电路。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，但可塑性不会等待慢速显微镜跟上步伐，脑组织因散射光和使图像模糊而臭名昭著。在 《科学报告》（Scientific Reports）的一篇开放获取论文中，麻省理工学院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、清晰和频繁地对活体大脑进行成像。

该系统称为“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”的活体脑成像系统一样，这种扫描光“激发”了脑细胞的光子发射，这些脑细胞被设计为在受到刺激时发出荧光。在团队的测试中，新系统被证明比逐点扫描的双光子示波器快八倍，并且被证明具有比仅扫描一个方向的双光子系统高四倍的信噪比（衡量最终图像清晰度的指标）。

“在活体大脑的背景下跟踪电路结构的快速变化仍然是一个挑战，”合著者Elly Nedivi说，William R.（1964）和Linda R. Young神经科学教授在Picower学习与记忆研究所和麻省理工学院的生物学和大脑与认知科学系。“虽然双光子显微镜是唯一允许对散射组织（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。

扫描样品的整条线本质上比一次扫描一个点要快，但它会产生大量散射。为了管理这种散射，一些示波器系统只是将散射光子作为噪声丢弃，但随后它们就丢失了，主要作者Yi Xue SM ’15，PhD ’19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.实验室的前研究生。所以，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光子重新分配回其原点，产生更强的信号（从而解析受刺激神经元的更小和更微弱的特征）。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这一过程，薛说。

“我们的激发光是一条线，而不是一个点——更像是一根灯管而不是一个灯泡——但重建过程只能将光子重新分配给激发线，而不能处理线内的散射，”薛解释说。“因此，散射校正仅沿一个维度对2D图像进行。为了校正两个维度的散射，我们需要扫描样品并校正沿另一个维度的散射，从而形成正交扫描策略。

在这项研究中，该团队在逐点示波器（双光子激光扫描显微镜-TPLSM）和线扫描时间聚焦显微镜（lineTF）上对他们的系统进行了头对头测试。他们通过水和注入脂质的溶液对荧光珠进行成像，该溶液可以更好地模拟生物组织中出现的散射类型。在脂质溶液中，mosTF产生的图像信噪比比是lineTF的36倍。

为了获得更明确的证据，Xue与Nedivi实验室的Josiah Boivin合作，使用mosTF对一只活的麻醉小鼠大脑中的神经元进行成像。即使在这种更复杂的环境中，血管的脉动和呼吸的运动会带来额外的混淆，mosTF示波器仍然实现了四倍的信噪比。重要的是，它能够揭示许多突触所在的特征：沿着藤状突起的棘，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这些棘在整个细胞中的生长、收缩、出现和消失。

“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，使使用传统的、开箱即用的双光子显微镜无法实现的体内研究成为可能，”她补充道。

So说，他已经在计划进一步改进这项技术。

“我们将继续努力开发更高效的显微镜，以更有效地观察可塑性，”他说。“mosTF的速度仍然受到限制，因为需要使用高灵敏度、低噪声的相机，而这些相机通常很慢。我们现在正在开发下一代系统，该系统具有新型探测器，例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之外，该论文的其他作者还有Dushan Wadduwage和Jong Kang Park。

美国国立卫生研究院、滨松公司、三星高等技术研究院、新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟中心、生物系统和微力学、皮考尔学习与记忆研究所、JPB基金会和哈佛大学高级成像中心为这项研究提供了支持。