精心排列的激光、镜面和光学设备让研究人员以更创新的方式探索大脑。

图片来源：He Tian

成像的力量确实能够看到细胞，从而基于大脑解剖结构绘制它们。

Rosa Cossart认为她知道记忆看起来像什么了。

在今年9月发表于《科学》的一项研究中，来自法国马赛地中海神经生物学研究所的神经生物学家Cossart打开了小鼠的大脑，以观测当小鼠在跑步机上跑步以及休息时的神经活动。当小鼠跑步时，它们海马中的50个神经元依次放电，这或有助于它们测量移动距离。随后，当小鼠休息时，那些神经元的某些子集再次放电。Cossart怀疑，再次激活过程与记忆编码和检索有关，就像小鼠在回忆此前的练习。

“成像的力量确实能够看到细胞，不仅能看到激活的细胞，而且还有沉默的细胞，从而基于大脑解剖结构绘制它们。”她说。

目前，新技术尚未为Cossart的假设提供证据，但这些技术背后的微生物和神经活动标记代表了研究大脑连接的最新方法。过去，研究人员仅能利用植入大脑的电极一次研究几个神经元。但新技术提供了一个关于大脑在发生什么的原始图像，就像仅用几个功能像素查看一个显示屏那样，美国纽约哥伦比亚大学脑科学中心主任Rafael Yuste说。

但新技术正在充实这一图像。现在，科学家可以观看带有颜色的鲜活神经元。相关方法包括Cossart在微观层面放大并捕捉活动中的单个神经元；此外还包括整个大脑的神经元成像。尽管利用现有显微镜也能进行这些实验，但科学家仍在设法定制它们使其适应具体的目的。这些设备目前正处于各种商业化阶段。

多亏诸如双光子显微术以及当神经元被激活时指示器闪光等技术创新，活体大脑领域成像正在兴起，它让科学家可以对大脑更深层成像。例如，Cossart 就将这两种方法结合用于自己的研究。

大量资助计划也在推动这一领域向前发展，尤其是美国先进创新神经技术脑研究（BRAIN）计划，它旨在提高研究人员绘制大脑图像的能力。美国国立卫生研究院（NIH）也与加拿大、澳大利亚和丹麦合作，共同资助参与BRAIN计划的研究人员。在日本，疾病研究创新神经技术（Brain/MINDS）项目则包括资助诸如对绒猴大脑进行功能性磁共振成像（fMRI）分析。

然而，参与这些项目的科学家仍面临很大挑战。最大的挑战是大脑物质本身。其他挑战包括哺乳动物神经元交流令人难以置信的速度，以及如何从中央到微尺度整合所有这些信息。尽管存在这些限制，活体小鼠脑成像已经在大脑疾病和衰老研究中开始揭示神经元连接如何静默或是再生长。

钙和循环

以中尺度中风研究为例。大脑中的血栓会损伤神经元以及神经通路。这些损伤在人体内很容易看见：功能磁共振成像（fMRI）表明，中风会影响大脑两个半球镜像成像区域之间的血流，这种串道对于协调运动非常关键。

但探测中风细节仍存在困难，因此包括密苏里圣路易斯华盛顿大学医学院神经学家Jin-Moo Lee在内的研究人员将目光转移到小鼠模型，用来研究这种疾病及其可能的治疗方法。

然而，小鼠大脑非常小，fMRI信号会在噪声中消失，因此Lee需要转向不同的技术跟踪血流。他的同事、生物医学工程师Joe Culver介绍给他一种叫作信号光学成像（OIS）的技术，它能够捕捉与血液氧气水平相关的颜色变化。富含氧气的血液是红色的，缺少氧气的血液呈现蓝色，不同颜色可以利用比较基础的科学设备通过小鼠稀薄的颅骨检测到，或者是一种叫作GoPro的消费者可穿戴相机。

富氧的地方比其他地方更加活跃。为了研究神经连接，Culver及其同事观察了整个大脑皮层，假定富含氧气的地方同步发光，可能被连接。他将这种新方法称作“功能性光学信号成像”或是fcOIS2。

这种技术对神经连接变化提供了良好的初步显示，Culver说，因为它可以对任何小鼠起作用，包括Cossart使用的一些标记需要经过遗传过程编辑到小鼠神经元。然而，它依然只是大脑活动的替代指标——进一步的技术是钙指标。

闪烁的类星体

钙指标已经成为活体大脑显微镜观察的重要指标。科学家能够看到每个神经元（至少在其显微镜成像平面上）并根据时间发展跟踪它们的活动。对于这种聚焦，科学家经常利用双光子显微术。在标准的显微技术中，荧光团可以仅通过一束光唤起，为此任何接收到光束的荧光团都会亮起，即便是那些位于焦点平面以外的荧光团。

在双光子显微术中，科学家利用波段更长的激光，因为荧光团一定能够同时吸收两个光子发光。由于双光子撞击同一个点的几率在激光聚焦点更高，信号便可以有效地局限于焦点平面。作为一种补充优势，波长越长，低能光线就能更深入地渗透组织。通过扫描穿过大脑的激光，显微技术工作者能够构建一幅1毫米深度的高像素大脑图像，Yuste说。

然而，钙指标仅是调节神经信号电子棘波的代理者。它们反射神经交流的速度响度比较慢，“是一个高峰轨迹的遗迹”，加州大学圣迭戈分校神经物理学家David Kleinfeld说。钙在膜去极化之后大约要花费100毫秒结合到指示器上，使其改变形状及发出荧光，弗吉尼亚州珍妮莉娅研究院神经生物学家和生物物理学家Karel Svoboda说。

荧光信号还要花费半秒左右衰变为未发光的状态，因此两或3个电子脉冲或是“动作电位”能够通过，而在此段时间内，钙系统仅会显示一个脉冲。“你可能会错过一些东西。”Svoboda说。

先进显微镜

其他研究人员也在聚焦显微镜自身，尤其是三维成像。因为一起工作的神经元在单一平面中并不会适当地组合，扫描过程必须与穿过脑容量的信号保持同步。

每秒10帧或“卷”是一个很好的基准，瑞士苏黎世大学脑研究所联合所长Fritjof Helmchen说。“这是大脑工作的时钟之一”，毫秒像素甚至更好，他补充说。

这意味着显微镜设计者必须让事物停下脚步，即使移动部分最小化，科罗拉多大学安舒茨医学院神经科学研究中心主任Diego Restrepo说。“当你在水上倒入油时，会形成一个透镜。”Restrepo解释说。通过让透镜变小，他和同事设法使其变得非常稳定，这样它就不会在动物活动时上下跳动。

它们还能通过改变电磁场从而改变透镜的形状和焦点平面。Restrepo的团队曾利用这种透镜与共聚焦显微镜，以及一个纤维光学系统结合，用来给大脑切片成像，现在他计划将该设备放入小鼠的头部。

放大和缩小

大多数二维和三维技术依然受到大脑如何散射光的限制，但科学家也有办法规避这些限制。在纽约康奈尔大学，应用物理学家Chris Xu及其同事推理，如果两个光子能够将成像推到1毫米深度左右，那么3个光子将能够进一步加深成像。

实际上，Xu的3光子成像能够达到双光子成像深度的两到3倍，他说，尽管这取决于要成像的组织特征。他的团队设法利用这种技术对小鼠海马体成像，而不用清除上部的任何皮质。

Xu的团队仍然不能渗透穿过大脑的所有通路。“实际上，我们仍停留在表面。”他坦承，但他同时表示仍有很大提升空间，还有空间发展其他活体大脑成像技术。最终这些不同的计划将能实现Yuste的神经科学梦想：解开神经放电模式与行为和感觉相连接的“编码”。这种技术尚不能被用于查看及解释小鼠视觉皮层的活动，但它一定为显示器增加了不少像素。（晋楠编译）