研究人員首次在單細胞水平下，完成了對脊椎動物整個大腦的成像記錄，揭示了幼年斑馬魚大腦中不同神經(jīng)元的活動情況。文章發(fā)表在三月十八日的Nature Methods雜志上。

Howard Hughes醫(yī)學(xué)研究所的Phillipp Keller和Misha Ahrens共同開發(fā)了這一成像系統(tǒng)，并用它記錄了整個斑馬魚大腦每秒鐘的活動情況。斑馬魚擁有100,000個神經(jīng)元，而這項研究監(jiān)測了其中80%的神經(jīng)元。由于其他神經(jīng)元位于難以觸及的區(qū)域（如雙眼之間），因此研究人員只能觀察到其中的神經(jīng)活動，但無法精確到單個細胞。

“這說明給動物大腦中的每個神經(jīng)元作圖是可行的，”哥倫比亞大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家Rafael Yuste說。他正在大力提倡進行一項大型生物學(xué)項目，希望能夠?qū)崿F(xiàn)對人類大腦中的所有神經(jīng)元成像。

這項斑馬魚研究的成像分辨率，足以讓研究者們理解大腦不同區(qū)域是怎樣協(xié)同工作的，Ahrens說。傳統(tǒng)技術(shù)甚至難以對兩千個神經(jīng)元進行一次性成像，因此人們通常得選擇所要觀察的目標(biāo)，然后進行類推。但現(xiàn)在，他說，“我們沒有必要再進行推測，可以直接觀察到大腦中發(fā)生的事件。”

這一技術(shù)的超強成像能力，能夠幫助人們揭示大腦對運動的協(xié)調(diào)，對學(xué)習(xí)過程的整合，以及大腦處理視覺和嗅覺的機制。“在該技術(shù)的幫助下，我們可以在不同的行為和學(xué)習(xí)過程中，更好的觀察大腦神經(jīng)元的動態(tài)，”康乃爾大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家Joseph Fetcho評論說。

基因工程改造的斑馬魚（Danio rerio）是這一成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)。研究人員使斑馬魚的神經(jīng)元合成了一種特殊的蛋白質(zhì)，當(dāng)神經(jīng)細胞放電時會發(fā)生鈣離子濃度的波動，此時這種蛋白就會發(fā)熒光。與傳統(tǒng)光束不同，這項研究中的顯微鏡發(fā)出一層光來檢測斑馬魚的大腦，然后通過檢測器來捕捉熒光信號。整個顯微系統(tǒng)每1.3秒對斑馬魚的大腦活動進行一次記錄。

Ahrens和Keller等人此前曾使用單層光顯微鏡技術(shù)（light sheet microscopy）對發(fā)育中的胚胎進行成像記錄。他們在這項研究中改進了光檢測器和系統(tǒng)的其它方面，使成像率增加了十倍。研究人員進行了一系列實驗，每個長約一小時的實驗生成了1 terabyte的數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，他們觀察了不同區(qū)域神經(jīng)元的協(xié)調(diào)活動。

不過這一技術(shù)最適用的還是透明的斑馬魚系統(tǒng)，雖然研究人員認為，該技術(shù)也可以在完整的哺乳動物大腦中起作用，不過在這種情況下讀取成像結(jié)果需要進行手術(shù)，而且只能覆蓋部分大腦區(qū)域。此外，在蛋白感應(yīng)器和成像系統(tǒng)的速度限制下，該技術(shù)還不足以分辨單個神經(jīng)元的放電次數(shù)，例如是一次性放電還是連續(xù)多次放電。