世界首个激光系统以10倍速度揭示清醒小鼠大脑秘密

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来自香港科技大学工程学院的研究团队创造了世界上首个能够在不麻醉的情况下捕捉清醒小鼠大脑的高分辨率图像的技术。

这种几乎非侵入性的方法让科学家能够在自然、完全正常的状态下观察脑组织。这一突破可能帮助研究人员更好地理解人类大脑在健康和疾病状态下的工作方式，从而在神经科学研究中取得重大进展。

几十年来，科学家们依赖MRI、EEG、CT和PET扫描等成像工具来研究大脑。这些工具虽然提供了有价值的数据，但在捕捉大脑微观结构和快速活动方面却缺乏精确度。小鼠常被用作研究神经系统疾病、癌症和疫苗的模型，因为它们的基因与人类相似。

然而，实验中常用的麻醉会改变大脑活动和血液循环，影响结果的准确性。同时，清醒小鼠的自然运动往往会模糊图像，使得研究大脑细微结构变得更加困难。

新型成像系统MD-FSS

这项新技术叫做多路数字聚焦传感与成形（MD-FSS），由香港科技大学电子与计算机工程系的曲建安教授带领的团队开发。

MD-FSS是基于曲教授早期的研究成果，即模拟锁相相位检测聚焦传感与成形（ALPHA-FSS），这项研究于2022年发表在《自然生物技术》上发表。虽然ALPHA-FSS达到了亚细胞级的成像精度，但速度太慢，无法捕捉清醒动物的动态脑活动。

颅骨的厚度和密度也带来了挑战，因为它们会散射光线，导致图像质量下降。这些限制长期以来使科学家无法获取深层脑结构的清晰图像。为了解决这个问题，团队设计了MD-FSS，以加快点扩散函数（PSF）测量的速度——即在显微镜下观察到的点状物体的3D图像。

该系统使用多条弱激光束和一条强主激光束。每条激光束携带独特的空间数据，并在不同的频率下运行。通过数字相位解调，这是一种能够从嘈杂背景中隔离弱信号的方法，MD-FSS在不到0.1秒的时间内捕获PSF数据，使其速度比早期技术快十倍。结果是清晰、详细的图像，可以跟踪实时的脑活动。

通过将MD-FSS与多光子显微镜结合，团队创建了一种新的系统，称为自适应光学三光子显微镜。该系统可以跟踪免疫细胞的运动，测量微小脑血管中的血流，并监测思考和感知过程中的神经活动。它甚至可以捕捉脑细胞与血管之间的相互作用。

Qu说：“在清醒动物中进行如此详细、近乎无创和实时的观察以前是无法做到的。凭借这种新型自适应光学技术的快速像差校正能力，现在可以实现高质量成像，而不损伤受试者的大脑。”

他 他说：“我们现在可以以亚细胞分辨率捕捉神经元、胶质细胞和血管在自然生理状态下的动态——摆脱麻醉的干扰。这一突破让我们在理解健康和疾病中的大脑功能上有了全新的视角。”

这种成像能力比脑电图或CT扫描清晰了好几百倍甚至上千倍。这让研究人员能够以惊人的清晰度观察到单个神经元、免疫细胞和最小的毛细血管。

未来神经科学的可扩展设计

MD-FSS平台是为了扩展而设计的。目前的版本使用八束激光，但可以扩展到几十束甚至上百束。这种可扩展性可以让成像更快，还能让科学家在光学技术进步时探索更大范围的 大脑。

屈说：“我们的最新工作代表了远不止是一个渐进式的改进。我们现在拥有一个多功能平台，可以用于更快的成像，扩展到更大的脑区域，并与功能性实验相结合。”

他继续说道：“这将使神经科学家能够以过去技术无法实现的方式研究快速的脑事件、复杂的网络互动关系和疾病进展——为学习、记忆、心理健康和神经疾病的重大突破打开大门。”

这些研究成果已发表在期刊自然通讯上发表。