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新技术可以帮助神经科学家追踪大脑的计算

至少从1950年代开始,研究人员就推测大脑是一种计算机,其中神经元组成复杂的电路,每秒执行无数次的计算。数十年后,神经科学家知道存在这些大脑回路,但是技术限制使他们的大多数计算细节无法触及。

现在,神经科学家在12月12日的《细胞》杂志上发表了一篇文章,他们也许终于能够揭示出大脑深部的神经回路所起的作用,这在很大程度上要归功于该分子比以往任何时候都更亮,以响应神经元用来控制神经元的细微电变化。执行他们的计算。

当前,跟踪神经元电活动的最佳方法之一是在一个神经元将电信号传递给另一神经元的瞬间,在存在钙离子的情况下发光的分子(钙离子是神经元尖峰的代表)。但是钙的流动速度太慢,无法捕捉到神经元尖峰的所有细节,并且它根本不响应导致尖峰的细微电变化。(一种替代方法是植入电极,但是这些植入物最终会损害神经元,并且在活体动物中一次将电极放置在少数几个神经元中是不切实际的。)

为了解决这些问题,神经生物学和生物工程副教授,伍仔神经科学研究所成员迈克尔·林(Michael Lin)和巴黎高等师范学院INSERM研究主任斯特凡·迪乌多妮(StéphaneDieudonné)领导的研究人员关注荧光分子,这些分子的荧光亮度直接响应神经元的电压变化,这是Lin和他的团队多年来一直致力于的想法。

尽管如此,这些分子仍然存在一个问题:它们的亮度并不总是对电压如此敏感,因此Lin和他在斯坦福大学的团队转向了生物学中一种著名的方法,即电穿孔。在该技术中,研究人员使用电探针在细胞膜上打孔,其副作用是它们的电压像被刺穿的电池一样迅速降至零。通过切换候选分子库,Lin及其同事可以选择亮度对电压漂移最敏感的那些分子。林说,所得分子称为ASAP3,是迄今为止响应最迅速的电压指示器。

Dieudonné和他的实验室专注于另一个问题:如何更有效地扫描大脑深处的神经元。为了使诸如ASAP3之类的荧光分子在大脑深处发光,研究人员经常使用一种称为双光子成像的技术,该技术采用可以穿透组织的红外激光束。然后,为了足够快地扫描多个神经元以观察尖峰,尖峰本身仅持续约千分之一秒,研究人员必须迅速将激光光斑从一个神经元移动到另一个神经元,这在移动动物时很难做到可靠。Dieudonné及其同事发现,解决方案是一种称为超快局部体积激励(ULoVE)的新算法,其中激光可以一次快速扫描神经元周围体积的几个点。

将这些技术放在一起,研究人员在老鼠身上表明,他们可以追踪大部分老鼠皮层,控制运动,决策和其他更高认知功能的大脑顶层的大脑活动的精细细节。

Lin说:“现在,您可以非常高精度地观察活着的小鼠大脑中的神经元,并且可以长时间跟踪它。” 除其他事项外,这不仅为研究神经元如何处理来自其他神经元的信号以及它们如何决定(可以说是何时尖峰),而且还研究神经元的计算随时间变化的方式打开了大门。

同时,Lin及其同事致力于进一步改进他们的方法。他说:“ ASAP3现在非常有用,但是我们相信将会有ASAP4和ASAP5。

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