细胞:大进步！开发一个开源的微型脑显微镜

2022年3月23日/Bion/--挪威科技大学Cuffley系统神经科学研究所联合主任、挪威科技大学神经计算中心创始主任迈布里特莫泽教授描述了她在20世纪90年代初作为一名年轻的心理学学生与长期合作者爱德华莫索尔教授的对话，她说：“我们的梦想是发明一个进入大脑的窗口，这样我们就可以观察我们的思维、计划和感觉的变化。

现在，老鼠Leif Erikson是实现这个梦想的第一步。这只老鼠的头上有一扇窗户。窗户上方是一个2.4克的便携“Mini2P”设备，纯科技创新。作为一台微型显微镜，Mini2P可谓是大脑皮层的一个微型观察站，记录了从未见过的神经景观的实时图像。相关研究成果于2022年3月18日在线发表在《细胞杂志》(Cell Journal)上，题目是《自由活动小鼠的大规模双光子钙成像》。

来自大脑的现场报道

在Leif Erikson小鼠的大脑中，成千上万的神经元一起工作来完成一项非常特殊的任务。当一些细胞开始发光时，这种活动是可见的。很快，其他细胞也会发光。

Mini2P可以现场记录埃里克森负责导航技能的大脑区域。作者在屏幕上观察到的闪烁的脑细胞也使老鼠找到了穿过地板、爬上攀登塔、到达塔顶的方法，因为有美味的香草黄油曲奇薯片在等着它。

Eddmoser说，“如果我们想要理解复杂的行为，这只老鼠必须能够自由移动，并以对它来说自然的方式行动。Mini2P是第一个允许我们在具有自然行为的动物中以高分辨率研究神经网络活动的工具。”

发明多是小包装。

Mini2P的基本机制和光学显微镜或者人眼没有太大区别。光的最小单位叫做光子。Mini2P利用激光器发出的成对光束，以高分辨率精确地激发和记录神经元。

图片来自cell，2022，doi :10.1016/j . cell . 2022 . 02 . 017

论文第一作者、挪威科技大学Cuffley系统神经科学研究所研究员魏健宗(音)说，“在开发Mini2P时，我们遵循了两条我们不愿妥协的规则。第一条规则是，这个设备的任何改进都不能影响这只老鼠的自然行为。因此，我们知道，我们必须减轻重量，并使迷你显微镜及其电缆尽可能轻便灵活。第二条规则是，我们不能在这个迷你显微镜的性能上妥协。如果我们希望科学家在一种新工具上投入时间，这种迷你显微镜的功能必须明显优于其前辈。”

Mini2P出色的工程特性之一是一个微小的电动可调镜头。通过使用静态电压，宗可以在不导致温度上升的情况下操纵透镜的曲率。改变镜片的曲率会触发Mini2P将焦平面转移到大脑皮层表面和更深的细胞层之间，也可以记录脑组织的三维结构。

一种从水母身上借来的基因，让脑细胞在互相对话时发光。这种生物发光使这些作者能够准确地观察到不同的对话片段涉及哪些脑细胞。他们还可以观察这种神经对话是如何产生想法的，然后鼠标在“外界”做出反应。

这些作者还可以根据它们表达的基因和它们交流的大脑区域对脑细胞进行颜色编码。这使人们能够理解哪种类型的脑细胞必须合作才能产生不同的认知能力。

Mini2P同时记录了几千个脑细胞的情况。它可以跟踪相同的脑细胞一个多月，即使在最激烈的活动中也能保持注意力，例如从22厘米高的塔上反复跳跃。Mini2P可以探索整个大脑皮层的不同区域和心理功能。

这些作者在大脑的各个区域测试了Mini2P，如导航系统、记忆中心和视觉区。通过使用拼接被子技术，它可以绘制更大的神经景观，例如整个视觉皮层中的10000个脑细胞。所有的测量都是在老鼠自由移动和做正常事情时进行的。这在Mini2P之前是不可能的。

将Mini2P与最接近的现有技术进行比较

单光子显微镜已经存在十年了。它们有几个问题：分辨率不够，成像速度太慢，焦平面不能在Z轴上移动，或者不能用于大脑皮层大部分活动频繁、细胞密度高的区域。

Mini2P允许从沿Z轴的多个平面进行记录，范围从细胞的亚结构(如轴突分支)到数万个细胞的地形图。目前台式双光子显微镜重达半吨，几乎占据了整个房间。这种台式双光子显微镜需要固定老鼠的头部，限制了老鼠的自然活动。它还用虚拟现实代替了鼠标对现实世界的访问。这与老鼠的正常体验完全不同，意味着它的行为可能也不自然。

另一方面，Mini2P的重量为2.4g，并配备了超灵活的激光和集光电缆，使鼠标可以自由动态地移动，而无需将Mini2P放在头上。

Mini2P是开源的。

迈布里特莫泽说，“我们相信Mini2P已经在这个领域带来了改变，我们希望与全世界的神经科学家和实验室分享它。从每个记录中收集的研究数据量也可能在减少研究中使用的动物数量方面发挥作用。”这种新工具也可能在了解大脑疾病方面发挥重要作用。