微型显微镜揭示清醒动物神经信号的实时奥秘

研究人员开发了一种微型轻便显微镜，能够以空前的速度捕捉神经元活动，可用于自由移动的动物。这一新工具可能让科学家更全面地了解大脑细胞在自然行为中是如何处理信息的。

该显微镜旨在在动物清醒时，通过颅骨上的小窗口进行成像基因编码电压指示剂——荧光染料在神经元发放时会迅速改变亮度。

科罗拉多大学安舒茨医学院的艾米莉·吉布森说：“不同于大多数跟踪较慢钙信号的微型显微镜，我们的显微镜以每秒数百帧的速度捕捉电信号的尖峰瞬间。这使得我们能够捕捉到神经元发放的瞬间，以及在发放前神经元内部积累的较弱信号。”

在期刊生物医学光学快报（Biomedical Optics Express）中，研究人员描述了这种新显微镜，它的设计目的是捕捉非常微弱的亮度变化。在对小鼠的实验中，他们展示了它能够获取与标准宽场显微镜的电压记录非常接近的结果，能够可靠地测量单个神经元的活动。

吉布森表示：“通过捕捉大脑不同部分的这些详细电压模式，我们的显微镜使得直接探索微妙的电信号如何影响大脑活动的时机成为可能，例如海马体中的空间导航。”

“对神经回路如何引导行为和认知的理解更加深入，可能会带来对各种神经系统疾病和神经退行性疾病的新治疗方法。”

跟踪动作电位的动态

大脑中的电压变化是由离子在神经元膜上流动引起的，产生一种快速的电信号，称为动作电位。这个过程始于微小的电压变化，最终达到一个阈值，触发一系列反应，导致钠离子迅速涌入，接着钾离子也迅速涌出。这就形成了沿着神经元传播的动作电位的“尖峰”。

观察这些电压变化可以揭示大脑神经电路在学习和记忆形成等任务中的新见解。然而，由于这些变化发生在毫秒之间，捕捉电压变化可能很困难，除非使用笨重的光学组件。

科罗拉多大学博尔德分校的共同作者朱丽叶·戈皮纳斯说：“我们通过设计一个紧凑、高效的光学系统，具有高数值孔径，并将其与高速传感器结合，以可靠地检测动作电位的尖峰，迈出了重要的一步。”

“我们的显微镜能够记录自由移动动物神经元内部发生的快速电活动和较小的亚阈值电压变化。”

捕捉微妙变化

为了增强收集光线的数量，以足够的光线捕捉荧光亮度的微妙变化，研究人员定制设计了一种光学系统，能够在小型设备中实现0.6的数值孔径。他们还结合了一种紧凑型高效相机，可以以大约每秒500帧的速度获取图像，足够快，能够捕捉动作电位的毫秒时间尺度。

最终的显微镜称为MiniVolt，具有250微米的视野，1.3-1.6毫米的工作距离和总重量16.4克。吉布森的团队还与神经科学家合作，将显微镜与最新的电压指示器Voltron2结合，该指示器比以前的电压指示器更稳定，并且在电压变化时产生更大的荧光变化。

为了测试显微镜，研究人员比较了用MiniVolt获取的清醒的固定头部小鼠的电压记录与台式电压成像显微镜获取的记录。MiniVolt以每秒530帧的速度获取了来自Voltron2的体内电压尖峰图像，尖峰的峰值信噪比超过3倍。这意味着每个电压尖峰的高度超过背景噪声的三倍，这与台式显微镜的信号质量相当。

研究人员目前正在努力减轻显微镜的重量，该显微镜已经能够在自由移动的老鼠中进行成像，以便能够在自由移动的小鼠中使用它，这是许多与人类疾病相关的重要模型。他们还希望增加MiniVolt的视野，这个限制主要是由于光源的大小，而不是光学设计所致。

更多信息： Catherine A. Saladrigas等，用于高速体内电压成像的微型宽场显微镜，生物医学光学快报（2025）。 DOI: 10.1364/boe.576516