脑科学家有很多方法可以追踪大脑中各个神经元的活动

科学家有很多方法可以观察大脑中的单个神经元，从一个发送电信号到下一个，但它们都有一个基本问题。每种方法，无论是涉及电探针，化学试剂还是遗传修饰，都在某种程度上比神经科学家所希望的更具侵入性。

这可能很快就会改变。正如斯坦福大学的研究人员12月12日在“光与科学与应用”杂志上报告的那样，他们开发了一种方法来观察脑细胞仅使用光，一些镜头和其他光学元件以及快速摄像机发送电信号。

眼科学教授，新论文的资深作者丹尼尔帕兰克说，这种新方法的关键在于，当神经元发射电信号时，它们会巧妙地改变形状。可以使用光学技术测量纳米级变化。

到目前为止，Palanker，Tong Ling，博士后研究员和新论文的主要作者及其同事已经测量了实验室培养皿中神经元样细胞网络中微小形状的变化。他们现在正在调整他们的方法来研究活体动物大脑中的神经元。如果这样做，它可以导致更自然的方式来研究至少一些大脑的部分。

“这是天然的，没有化学标记，没有电极，没有任何东西。它只是它们的细胞，”Palanker说，他是Stanford Bio-X和Wu Tsai神经科学研究所的成员。

事物的形状

神经元发射时会发生很多事情。当然有电信号本身，可以通过电极拾取。还有化学变化，可以使用荧光分子检测，当神经元发射时，荧光分子会亮起。

然后是形状。研究人员首次发现神经元通过研究40多年前的小龙虾神经元而改变了形状。1977年，一支斯坦福大学和加州大学旧金山分校的研究人员在小龙虾神经元发射时将其激光反射，并显示其宽度大致改变了人类DNA链的厚度。

然而，将这些结果转化为光学观察在人类或其他哺乳动物大脑中发射的神经元的方式面临许多挑战。一方面，小龙虾神经元比哺乳动物神经元厚10到100倍。另一方面，原始组使用的技术 - 一种所谓的干涉测量的简单形式 - 只能一次测量单个点的变化，这意味着它可以用于一次只研究一个单元的一小块区域，而不是成像整个细胞，甚至是大脑中相互通信的神经元网络。

激发神经元射击的新亮点

为了解决其中的一些问题，Ling，Palanker及其同事首先转向标准干涉测量法的一种变体，称为定量相位显微镜，它允许研究人员绘制出整个微观景观 - 例如，排列在玻璃板上的细胞网络的景观。该技术非常简单，可以通过激光穿过这些细胞，通过几个透镜，滤光片和其他光学元件和滤光片，并用相机记录输出来完成。然后可以处理该图像以创建单元格的地形图。

Ling，Palanker和团队推断他们可以使用这项技术来测量当他们射击时神经元会改变多少形状。为了测试这个想法，他们在玻璃板上建立了一个神经元样细胞网络，并使用摄像机记录当细胞 - 实际上肾脏来源的细胞被修饰为更像神经元时 - 发生的事情。通过将视频与电子记录同步并对几千个示例进行平均，该团队创建了一个模板，描述了细胞在发射时如何移动：超过约4毫秒，细胞厚度增加约3纳米，大约为百分之一的变化百分。一旦达到最大厚度，电池需要大约十分之一秒才能缩小。

看着脑细胞在工作

在实验的初始阶段，该团队需要电极来确定细胞何时开火。在第二阶段，团队成员表明他们可以使用他们的模板来搜索和识别细胞射击，而不依赖于电极。

尽管如此，在团队才能使该方法在真正的大脑中运行之前，还需要采取一些步骤。首先，该团队将需要使该技术在实际神经元中工作，而不是他们目前所看到的神经元样细胞。“神经元更挑剔，”帕兰克说，但该团队已经开始尝试它们。

第二个挑战是真正的大脑中的神经元没有像玻璃板上的单层一样排列，就像Palanker实验室研究的细胞一样。特别是，团队无法通过大脑激发激光，并期望看到很多东西出现在另一边，更不用说有用的数据了。幸运的是，Palanker说，他们使用透射光的技术在反射光中的工作方式相似，而且大多数神经元反射的光足以使理论在理论上起作用。

团队可能无法绕过一个限制 - 因为光线不能深入大脑，新方法只能探测外层。尽管如此，对于只需要研究这些层的项目，该技术可以为研究人员提供一种更简洁，更简单的大脑研究方法。

“通常，侵入性方法影响细胞的作用，因此使测量不太可靠，”Palanker说。“在这里，你对细胞一无所知。你基本上只是看着它们移动。”

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