北京時間8月10日深夜23點，《自然-生物技術(shù)》雜志在線發(fā)表了題為《共聚焦光場顯微鏡對小鼠和斑馬魚大腦快速體成像》的研究論文，來自上海腦科學(xué)與類腦研究中心（張江）、中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、神經(jīng)科學(xué)國家重點實驗室的科學(xué)家們共同完成了生命科學(xué)領(lǐng)域不可多得的“中國制造”，再度讓世人驚嘆。

簡單來說

就是來自張江的科學(xué)家們發(fā)明了一種新型成像技術(shù)——共聚焦光場顯微鏡（Confocal light field microscopy），可以對活體動物深部腦組織中的神經(jīng)和血管網(wǎng)絡(luò)進行快速、大范圍的活體成像。

有了這項“利器”，科學(xué)家們就可以為腦部細胞拍攝“工作照”，更深入地了解大腦是如何展開工作的，為解開“大腦之謎”奠定基礎(chǔ)。

何為共聚焦光場顯微鏡？

在人類探索自身奧秘的旅程中，大腦的秘密是其中最難以攀登，卻又最令人向往的一座高峰。我們的大腦中有著數(shù)以億計的細胞，其中，神經(jīng)元約有860億，這個數(shù)字比目前地球上人口總和的十倍還要多。

如果我們把每一個神經(jīng)元看作是一個人，那我們的大腦就像是一個非常復(fù)雜而龐大的社會，它的正常運轉(zhuǎn)離不開每一個人的分工協(xié)作。這些神經(jīng)元到底是如何一起工作的，就是神經(jīng)科學(xué)中研究的核心問題。

如果我們把每個神經(jīng)元的活動軌跡都繪制出來，所看到的就像是一團亂麻，無法知道它們到底在神經(jīng)環(huán)路中扮演著什么樣的角色。

那么，應(yīng)該怎樣去研究這個復(fù)雜的問題呢？

方法之一就是用聚焦顯微鏡和雙光子顯微鏡這些傳統(tǒng)的活體成像工具進行掃描，以此來判斷它們的運動軌跡?？墒牵捎跁r間分辨率較低，它們難以捕捉到神經(jīng)元的快速變化，當(dāng)然也就不可能進行大范圍的研究。

因此，近年來人們一直致力于開發(fā)更快的成像方法。在多種新技術(shù)中，光場顯微鏡尤其具有潛力，得到了廣泛關(guān)注。這種顯微鏡的特點是可以在相機的單次曝光瞬間，記錄來自物體不同深度的信號，通過反卷積算法重構(gòu)出整個三維體，實現(xiàn)快速活體成像。

這種方法已經(jīng)在線蟲、斑馬魚幼魚等小型模式動物上獲得了初步應(yīng)用，看上去似乎很完美了，是不是？其實不然。

傳統(tǒng)的光場顯微鏡

還存在兩個難以解決的問題

限制了它在生物成像上的廣泛應(yīng)用

首先，重構(gòu)的結(jié)果會出現(xiàn)失真；

其次，現(xiàn)有光場顯微成像技術(shù)缺乏光學(xué)切片能力，無法對較厚組織，比如小鼠的大腦進行成像。

連小鼠關(guān)都過不了，更別說應(yīng)用于人體了。

那么，接下里的關(guān)鍵步驟就是如何克服重構(gòu)失真問題以及讓光場顯微鏡具有共聚焦顯微鏡一樣的光學(xué)切片能力。

2017年，上述團隊的科學(xué)家們就研發(fā)了新型擴增視場光場顯微鏡，有效解決了重構(gòu)失真的問題，并首次三維記錄了斑馬魚幼魚在完整捕食行為中的全腦神經(jīng)元活動變化。

歷經(jīng)三年的科技攻關(guān)，研究團隊這次又提出了廣義共聚焦檢測的概念，使其可以與光場顯微鏡的三維成像策略結(jié)合，在不犧牲體成像速度的前提下有效濾除背景噪聲，大幅度提高了靈敏度和分辨率。這種新型的光場顯微成像技術(shù)被稱為——共聚焦光場顯微鏡。

（上）共聚焦光場顯微鏡原理示意圖。

（下）不同于傳統(tǒng)光場顯微鏡，共聚焦光場顯微鏡采用片狀照明，選擇性激發(fā)樣本的一部分，在垂直照明的方向上掃描，采集到的信號被遮擋板過濾掉焦層范圍之外的部分。對采集到的圖像進行重構(gòu)可以得到焦層內(nèi)的三維信息。

為腦細胞抓拍“工作照”

“工欲善其事，必先利其器?！惫ぞ邷蕚浜昧耍酉聛砭鸵ソo腦細胞拍“工作照”了。

研究團隊在不同動物樣品上測試了共聚焦光場顯微鏡的成像能力。

（左）斑馬魚幼魚捕食行為的一個例子。0s 為斑馬魚吞食草履蟲的時刻。（右）左圖斑馬魚捕食行為中，共聚焦光場顯微鏡記錄到的兩個不同腦區(qū)的神經(jīng)元活動。箭頭所指為過程中激活的單個神經(jīng)元。

首先，團隊成員對活體斑馬魚幼魚進行全腦鈣成像。對比共聚焦和傳統(tǒng)光場顯微鏡的成像結(jié)果，研究人員發(fā)現(xiàn)加入光學(xué)切片能力后，圖像分辨率和信號噪聲比顯著提高，可以檢測到更多較弱的鈣活動。

科學(xué)家們進一步將共聚焦光場顯微鏡和高速三維追蹤系統(tǒng)結(jié)合，對自由行為的斑馬魚幼魚進行全腦鈣成像。受益于更高的分辨率和靈敏度，可以識別出斑馬魚幼魚在捕食草履蟲過程中單個神經(jīng)元的鈣離子活動的變化。

（左）共聚焦光場顯微鏡拍攝得到的小鼠視皮層中的復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)。6個在不同深度拍攝的體積連接為一個深度達600 μm的三維結(jié)構(gòu)。（中）100 μm到250 μm深度血管網(wǎng)絡(luò)的平面投影，顏色代表不同血管分支中血細胞的平均流速。（右）圖中箭頭所指的區(qū)域中五個血管分支在一段時間內(nèi)流過血細胞數(shù)量的計數(shù)。

緊接著，團隊成員又開始驗證共聚焦光場顯微鏡對小鼠大腦的成像效果。對清醒小鼠的視皮層進行鈣成像，不僅可以同時記錄一定體積內(nèi)近千個神經(jīng)元的活動，并且連續(xù)5小時以上穩(wěn)定記錄超過10萬幀，沒有明顯的光漂白。

團隊成員進一步嘗試使用共聚焦光場顯微鏡對鼠腦中的血細胞進行成像，同時記錄上千根血管分支中群體血細胞的流動情況并計算血細胞的速度，相比之前的傳統(tǒng)成像方法通量提高了百余倍。

研究團隊在自由行為的斑馬魚幼魚和小鼠大腦上的試驗證明了——共聚焦光場顯微鏡有更高的分辨率和靈敏度，這就為研究大范圍神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和血管網(wǎng)絡(luò)的功能提供了新的工具。同時，這項技術(shù)不僅適用腦組織的成像，還可以根據(jù)所需成像的樣品種類靈活調(diào)整分辨率、成像范圍和速度，應(yīng)用在其他厚組織的快速動態(tài)成像中。

現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)的奠基者、西班牙科學(xué)家拉蒙·卡哈爾曾經(jīng)說過：“只要大腦的奧秘尚未大白于天下，宇宙將仍是一個謎。”

大腦是控制機體所有功能的中樞，“因為有了腦，我們才有了樂趣、欣喜與歡笑，才有了絕望、哀愁與無盡的憂思。因為有了腦，我們才看得見，才聽得到。因為有了腦，我們才以一種獨特的方式擁有了智慧，獲得了知識”。

這些張江科學(xué)家的最新發(fā)明讓我們離攀登腦科學(xué)的高峰又近了一步，而且是在科技最前沿的生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了難得的“中國制造”。讓我們?yōu)檫@些不懈努力、孜孜以求的科學(xué)家們喝彩！