头戴式显微镜深入研究大脑如何工作

研究人员开发了一种微型显微镜，可用于活体小鼠大脑内的高分辨率3D图像。这种新型轻型显微镜可以比以前的小型宽视场显微镜更深入地成像大脑，从而帮助科学家更好地了解脑细胞和大脑回路的运作方式。

研究小组负责人说:“开发神经疾病的新疗法需要在细胞和电路水平上了解大脑。艾米丽·吉布森，博士，来自科罗拉多大学安舒茨医学院。“新的光学成像工具，特别是那些可以成像大脑组织深处的工具，比如我们团队开发的显微镜，对于实现这一目标非常重要。”

在Optica出版集团杂志上生物医学光学快车，研究人员描述了他们的新SIMscope3D，它可以在样本暴露在特定波长的光下后，对组织或荧光标签发出的荧光进行成像。这种新设备是第一个使用结构照明来消除失焦和散射光的微型显微镜，它允许用LED光源对固定脑组织成像深度达260微米。

“随着进一步的发展，我们的显微镜将能够成像动物在自然环境中或执行不同任务时的神经活动，”来自麻省理工学院的首席作者Omkar Supekar说科罗拉多大学博尔德分校。“我们表明，它可以用于研究在多发性硬化症等神经系统疾病中发挥重要作用的细胞。”

看到更深层次的

戴在头上的显微镜被用来通过植入小啮齿动物头骨的透明窗口成像它们的大脑。研究人员此前已经开发出了头戴式宽视场荧光显微镜，但被组织散射的光阻碍了大脑深处的成像。微型双光子显微镜可以通过消除每个焦平面的失焦光来克服这一缺点——这一过程被称为光学切片——但通常需要昂贵的脉冲激光和复杂的机械扫描组件。

为了设计这种新型显微镜，来自科罗拉多大学安舒茨医学院生物工程系的安德鲁·西亚斯、肖恩·汉森、加布里埃尔·马丁内斯和艾米丽·吉布森;亚利桑那州立大学物理系的Douglas Shepherd;来自电气、计算机和能源工程系的Omkar Supekar和Juliet Gopinath，以及来自科罗拉多大学博尔德分校机械工程系的Victor Bright与神经科学家Graham Peet密切合作，来自细胞与发育生物学系的Diego Restrepo和Ethan Hughes，以及来自科罗拉多大学安舒茨医学院生理学和生物物理系的Xiaoyu Peng和Cristin Welle对大脑研究进行了优化。

体积成像是通过使用成像光纤将空间图案的光传递到微型显微镜物镜来完成的。该过程还消除了失焦光，使光学切片类似于双光子方法，但不需要复杂的组件或昂贵的激光。

该显微镜包括一个紧凑的可调谐电润湿透镜，可以通过改变显微镜的焦深来实现大脑结构的3D可视化，而不需要任何移动部件。研究人员还将CMOS相机直接集成到显微镜中。这使得成像具有较高的横向分辨率，同时避免了图像穿过纤维束时可能产生的伪影。这种新型显微镜使用LED光源，即使在深度成像高度散射的组织时也能产生强烈的对比度。

捕获胶质细胞

研究人员通过对小鼠的少突胶质细胞和用荧光蛋白标记的小胶质细胞进行成像，展示了他们的新系统。这些小鼠处于清醒状态，但被放置在一个保持头部静止的装置中。在多发性硬化症患者中，在轴突周围形成绝缘层的少突胶质细胞被破坏。这会导致大脑中的连接变慢，导致视力受损、运动技能和其他问题。

Supekar说:“我们用微型显微镜记录了清醒小鼠大脑深处高达120微米的神经胶质细胞动态的时间序列。”“科学家们并不完全了解这些细胞是如何工作的，以及它们的修复过程。我们的显微镜为长期研究这些细胞如何迁移和修复提供了可能性。”

研究人员目前正在努力提高显微镜的采集速度和重量。通过微小的升级，当鼠标执行不同的任务时，显微镜将能够成像更快的动态，例如神经元电活动。研究人员说，由于这种显微镜不需要昂贵的部件，它可以很容易地开发成用于神经科学实验室的商业系统。