新的“萤火虫”显微镜经过优化后用于光遗传学研究，它可以同时检查多个神经元。这里的每一个亮点代表了转基因老鼠的一个神经元。来源：哈佛大学Vaibhav Joshi

新开发的显微镜为科学家们提供了一种功能显著提升了的研究神经疾病的工具，例如研究癫痫和阿尔茨海默病如何影响神经元传导信息。显微镜经过优化后用在光遗传技术研究领域，它是一种相对较新的技术，使用光来对含有光敏蛋白的转基因神经元进行控制和成像。

美国哈佛大学显微镜研究开发小组负责人Adam Cohen说：“我们的新显微镜可以用来研究不同基因突变对神经元功能的影响。未来它可以用来测试药物对来自神经系统紊乱患者神经元的影响，尝试针对目前没有适当治疗方法的疾病找到合适的药物。”

这款名为“萤火虫”的显微镜能够对直径6毫米的区域进行成像，比用于光遗传学的大多数显微镜视场大一百倍以上。它不是为了研究单个神经元的电活动，而是在大的成像区域内，可以触发用于传导的电脉冲神经元，然后观察这些脉冲在整个包含数百个细胞的大型神经回路中，从一个细胞到另一个细胞的传输过程。在大脑中，每个神经元通常与其他一千多个神经元相连，因此观察较大的网络对于了解神经疾病如何影响神经元的信息传导非常重要。

在光学学会杂志（OSA）《Biomedical Optics Express》上，Cohen和他的同事报道了，他们在现有大多数商用组件基础上，使用不到10万美元组装新显微镜的过程。该显微镜不仅成像面积大，而且光线收集效率高。它提供了更高的图像质量和更快的处理速度，这对观察持续时间仅有1毫秒的神经元电脉冲是非常必要的。

利用光来观察神经元的激发

这种新显微镜是研究实验室培养的人类神经元的理想仪器。在过去的十年中，科学家们已经开发出许多神经系统疾病的人类细胞模型。这些转基因细胞内包含光敏蛋白质，科学家可以利用光激励神经元，或者控制诸如神经传导水平、蛋白质聚集等变量。其他光敏荧光蛋白将来自神经元的不可见电脉冲转变成可以成像和测量的短暂荧光脉冲。

这些技术使得科学家可以研究单个神经元的输入和输出，但商业上可用的显微镜还没有进行优化以便充分利用其在光遗传学方面的潜力。为了填补这一技术空白，研究人员设计了“萤火虫”显微镜，首先激发含有一百万个光点的复杂图案的神经元，然后记录与由神经元发出的电脉冲相对应的短暂荧光。

光图像的每一个像素都能独立激发光敏蛋白质。由于像素可以有很多不同的颜色，因此可以一次触发不同类型的光敏蛋白质。光图像可以通过编程以覆盖整个神经元，实现激发神经元的某些区域或一次照亮多个细胞的功能。

Cohen解释说，“这个光学系统提供的输入和输出各一百万个，使我们能够看到这些神经系统中发生的一切。”

在激发神经元之后，显微镜使用1000帧/秒的相机来捕捉由极短的电脉冲引起的荧光图像。“光学系统必须高效地在毫秒时间内探测到优质信号”，Cohen说。“大量的工程技术进入了发展中的光学领域，不仅能够实现大面积成像，而且能够保证非常高的光收集效率。”

为了有效地收集大面积的光线，“萤火虫”显微镜使用了一个与汽水瓶大小相当的物镜，而不是使用大多数显微镜上拇指大小的物镜。研究人员还使用了一种光学装置，增加了激发神经元的光通量，以帮助确保神经元在发射时发出明亮的荧光。

“显微镜中的一个定制元件是放置在神经元和物镜之间的一个小棱镜。”Cohen解释说。“这个重要的元件使光线沿着与细胞相同的平面传播，而不是与样品垂直的方向。这样可以保持细胞上、下方照明材料上的光线，减少背景荧光，避免难以看到神经元实际发出的荧光的情况。”

同时观察85个神经元

研究人员展示了他们的新显微镜，用它来对培养的人类神经元进行光激发，并记录其发出的荧光。“神经元像意大利面条一样杂乱成一团。”Cohen说。“我们发现，在大约30秒的测量时间内，可以同时分辨85个独立的神经元。”

在最初的激发和成像之后，研究人员第二次能够在85个细胞中找到79个。这种能力对于研究每种细胞在接触药物之前和之后进行成像是非常重要的。

在第二个演示中，研究人员使用显微镜描绘了通过培养的心脏细胞传播的电波。这表明显微镜可以用来研究当协调心跳的电信号不能正常工作时发生的异常心率。

“我们开发的系统设计是为观察相对平坦的样品而设计的，如培养的细胞。” Cohen说。“我们现在正在开发一个系统，可以在完整的组织中执行光遗传学方法，这样我们可以观察这些神经元在自然环境下的表现。”

研究人员也启动了一家名为Q-State Biosciences的生物技术公司，该公司正在使用显微镜的改进版本与制药公司合作。

来源：https://phys.org/news/2017-11-microscope-poised-propel-optogenetics.html

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