2020年10月16日

实时绘制脑电路图的新方法

为了加深对大脑的了解,神经科学家必须能够详细绘制负责处理诸如感官信息或形成新记忆等任务的神经回路。现在,加州理工学院的一个研究人员描述了一种新方法,该方法可以实时观察特定大脑回路中数千到数百万个神经元的活动。一种新颖的方法,在"透视" 文章 published in the journal 神经元 这组作者说,10月14日的潜力比目前的任何方式都大得多。

这项被称为“集成神经光子学”的新技术使用了可以在大脑内部任何深度植入的微型光学芯片阵列,并结合了荧光分子报告分子和光遗传学致动器,分别对神经元进行光学监测并控制其活动。阵列发出微光束,以刺激周围的转基因神经元,同时记录这些细胞的活性,揭示其功能。尽管这项工作目前仅在动物模型中完成,但有一天有可能有助于揭开动物体内深处的电路。 ”,该论文的首席研究员,加州理工学院的Frank J. Roshek物理学,应用物理学和生物工程学教授Michael Roukes说。

Roukes说:“深入录音-这是关键。” “我们将很快无法记录大脑的所有活动。但是,我们可以专注于特定大脑区域内某些重要的计算结构吗?这就是我们的动力。”

近年来,神经科学家已经开始使用光遗传学来研究模型动物(包括啮齿动物)中越来越多的神经元。在光遗传学中,神经元经过遗传工程改造,可以在特定波长的光激发时表达特定的蛋白质标记,例如绿色荧光蛋白(GFP)。 GFP的存在会使细胞在荧光灯下发出绿色光,从而提供神经活动的视觉指示。通过将传感器分子与这些标记物融合在一起,研究人员可以设计神经元,通过调节这种荧光来表达其局部活动信号。光遗传学解决了神经科学研究中固有的一些问题,这些问题依靠植入的电极来测量神经元的电活动,由于大脑中所有的电活动,平均而言,它们只能可靠地测量单个神经元。由于大脑不使用光进行交流,因此光遗传学使跟踪大量这些神经元信号变得更加容易。

加州理工学院高级研究科学家,论文的主要作者劳伦特·莫罗克斯(Laurent Moreaux)说,但是当前的大脑光遗传学研究受到明显的身体限制。脑组织散射光,这意味着从脑外射入的光只能传播 在里面。因此,只能光学检查距大脑表面不到两毫米的区域。这就是为什么研究最好的大脑回路通常是简单的传递感觉信息的回路,例如鼠标的感觉皮层,它们位于表面附近。简而言之,目前,光遗传学方法不能轻易提供对位于大脑深处的电路的洞察力,包括那些涉及高级认知或学习过程的电路。

Roukes及其同事说,集成的神经光子学可以解决这个问题。在该技术中,将完整成像系统的微尺度元素植入到复杂区域附近。 位于深处 ,例如海马区(参与记忆形成),纹状体(控制认知)和其他基础结构,其分辨率达到前所未有的水平。考虑一下功能磁共振成像(fMRI)的类似技术,这是当前用于对整个大脑成像的扫描技术。在fMRI扫描中,每个体素或三维像素通常约为一立方毫米,并包含大约100,000 。因此,每个体素代表所有这100,000个细胞的平均活性。

Roukes说:“集成神经光子学的首要目标是实时记录这100,000个集合中的每个神经元在做什么。”

Roukes的长期目标是传播集成神经光子学的先进仪器,以实现多机构合作,从而利用这一新技术开拓先进的神经科学研究。他说,以前,这种神经技术的发展主要依靠单个实验室或研究人员领导的研究。从2011年开始,鲁克斯与其他五位科学家和白宫科学技术政策办公室合作,共同启动了最终成为美国奥巴马计划(通过推进创新神经技术进行大脑研究)的计划。他们的愿景是将神经科学领域的大型伙伴关系带入神经科学研究,以硬件开发项目为例,例如国际望远镜合作和LIGO-Virgo合作以寻找引力波。 Roukes说,现在,集成式神经光子学为此类仪器构建团队合作打开了大门

他说:“许多(对于像我们这样的方法)构建块已经存在了十年或更长时间。” “但是直到最近,才有了将它们全部组合起来以实现这些强大的神经科学新工具的愿景,意愿和资金。”

描述该研究的论文标题为“集成神经光子学:对深度和实时进行脑电路活动的密集体积询问”。



更多信息: Laurent C. Moreaux等。集成的神经光子学:深入实时地进行脑回路活动的密集体积询问, 神经元 (2020)。 DOI:10.1016 / j.neuron.2020.09.043
期刊信息: 神经元

Provided by 加州理工学院
引文: 一种实时绘制大脑回路的新方法(2020年10月16日) 2020年10月26日检索 from //xasqxhb.com/news/2020-10-method-brain-circuits-real.html
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