顯微鏡系統提升科學家對神經迴路連結的觀察 | 麻省理工學院新聞

大腦的學習能力來自於「可塑性」

大腦的學習能力來自於一種叫做「可塑性」的特性。在這個過程中，神經元會不斷編輯和重塑它們與其他神經元之間的小連接，這些連接稱為突觸，形成神經迴路。為了研究可塑性，神經科學家希望能高解析度地追蹤整個細胞的變化，但可塑性不會等慢速顯微鏡跟上，而大腦組織因為散射光線而使圖像變得模糊。麻省理工學院 (MIT) 的工程師和神經科學家合作發表了一篇開放存取的論文，介紹了一種新的顯微鏡系統，旨在快速、清晰且頻繁地成像活體大腦。

新顯微鏡系統的運作方式

這個系統叫做「多線正交掃描時間聚焦」(mosTF)，它通過用光線在垂直方向掃描大腦組織來運作。這個系統與其他依賴「雙光子顯微鏡」的活體大腦成像系統相似，掃描的光線會「激發」那些經過工程設計，可以在刺激下發光的神經細胞。團隊的測試顯示，這個新系統的速度比逐點掃描的雙光子顯微鏡快了八倍，並且在圖像清晰度上比單方向掃描的雙光子系統好四倍。

追蹤大腦結構的挑戰

合著者艾莉·內迪維 (Elly Nedivi) 教授表示：「在活體大腦中追蹤神經迴路結構的快速變化仍然是一個挑戰。雖然雙光子顯微鏡是唯一可以高解析度觀察深層突觸的方法，但逐點掃描的速度非常慢。mosTF系統顯著減少了掃描時間，卻不影響解析度。」

如何管理光線散射

掃描整條樣本的速度本來就比逐點掃描快，但這會增加光線散射的問題。為了管理這種散射，有些顯微鏡系統會將散射的光子視為噪音而丟棄，但這樣就會損失這些光子。主作者許怡 (Yi Xue) 博士解釋說，新的單線和mosTF系統通過算法將散射的光子重新指派回它們的來源，從而產生更強的信號，讓刺激的神經元更小、更微弱的特徵得以解析。

實驗結果

在這項研究中，團隊將他們的系統與逐點掃描的顯微鏡進行了對比測試。他們通過水和脂質溶液成像螢光珠，脂質溶液更能模擬生物組織中的散射。在脂質溶液中，mosTF的圖像信號與背景的比率比lineTF高出36倍。

在活體小鼠大腦中的應用

為了更有力的證明，許怡與內迪維實驗室的喬賽亞·博伊文 (Josiah Boivin) 合作，使用mosTF成像麻醉小鼠的大腦。在這個更複雜的環境中，血管的脈動和呼吸的運動增加了干擾，但mosTF仍然達到了四倍更好的信號與背景比率。重要的是，它能夠揭示許多突觸所在的特徵：沿著神經元細胞體長出的樹突（dendrites）上突出的脊狀結構。內迪維表示，監測可塑性需要能夠觀察這些脊狀結構的生長、縮小和變化。

未來的計畫

內迪維補充道：「我們與索教授 (Peter T.C. So) 實驗室的持續合作以及他們在顯微鏡開發方面的專業知識，使得使用傳統的雙光子顯微鏡無法達到的活體研究成為可能。」索教授表示，他已經計劃進一步改進這項技術。

結論

許怡表示：「我們正在努力開發更高效的顯微鏡，以更有效地觀察可塑性。mosTF的速度仍然受到高敏感度、低噪音相機的限制，這些相機往往速度較慢。我們現在正在開發一個新一代系統，使用新型探測器，如混合光電倍增管或雪崩光電二極管陣列，這些探測器既敏感又快速。」

除了許怡、索教授、博伊文和內迪維，論文的其他作者還包括杜尚·瓦杜瓦基 (Dushan Wadduwage) 和朴鍾康 (Jong Kang Park)。這項研究得到了國家衛生研究院 (National Institutes of Health)、濱松公司 (Hamamatsu Corp.)、三星先進技術研究所 (Samsung Advanced Institute of Technology)、新加坡-麻省理工學院研究與技術聯盟中心 (Singapore-MIT Alliance for Research and Technology Center)、生物系統與微機械 (Biosystems and Micromechanics)、皮考爾學院 (The Picower Institute for Learning and Memory)、JPB基金會 (The JPB Foundation) 和哈佛大學先進成像中心 (The Center for Advanced Imaging at Harvard University) 的支持。