哥倫比亞工程師和神經(jīng)科學(xué)家聯(lián)合起來(lái)創(chuàng)建了單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的3D視頻，這些神經(jīng)細(xì)胞在移動(dòng)時(shí)拉伸和切換果蠅幼蟲。從這些視頻中收集的數(shù)據(jù)揭示了稱為本體感受神經(jīng)元的神經(jīng)細(xì)胞如何協(xié)同工作以幫助身體感知它在太空中的位置。為了實(shí)現(xiàn)這一壯舉，研究人員利用了SCAPE，這是一種在哥倫比亞開發(fā)的尖端顯微鏡，能夠以閃電般的速度對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行成像。

今天發(fā)表在“ 當(dāng)代生物學(xué)”雜志上的這些研究結(jié)果說(shuō)明了SCAPE能夠以前所未有的細(xì)節(jié)揭示神經(jīng)系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)作。通過(guò)在動(dòng)物爬行時(shí)創(chuàng)建3D，幼蟲神經(jīng)細(xì)胞的實(shí)時(shí)動(dòng)作圖像，SCAPE允許研究人員準(zhǔn)確地看到沿著體壁的細(xì)胞如何報(bào)告運(yùn)動(dòng)回到大腦。

“我們知道，雖然電脈沖通過(guò)神經(jīng)元，大腦會(huì)接收感覺(jué)信號(hào)，但我們不明白為什么某些神經(jīng)元位于特定位置，或者特定信號(hào)模式如何代表不同的運(yùn)動(dòng)，”Wesley Grueber博士說(shuō)。哥倫比亞大學(xué)Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute的首席研究員和該論文的共同資深作者。“為了理解這個(gè)過(guò)程，我們需要知道當(dāng)幼蟲不受約束地爬行時(shí)神經(jīng)元發(fā)出的信號(hào)。”

“雖然我們可以制造幼蟲的神經(jīng)元在射擊時(shí)用熒光閃光標(biāo)記，但我們很難對(duì)它們進(jìn)行成像，”Reueca Vaadia說(shuō)，他是Grueber實(shí)驗(yàn)室的博士候選人，也是該論文的共同第一作者。“即使我們最快的顯微鏡也要求標(biāo)本被限制在不自然的慢速移動(dòng)，所以在我們開始使用SCAPE之前，我們永遠(yuǎn)無(wú)法真正捕獲反映動(dòng)物自然，無(wú)阻礙運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)活動(dòng)。”

哥倫比亞大學(xué)扎克曼研究所的首席研究員，該論文的共同資深作者伊麗莎白希爾曼博士說(shuō)：“我們開發(fā)了SCAPE來(lái)實(shí)現(xiàn)3D中的事物。” “通過(guò)合作，我們很快發(fā)現(xiàn)我們可以記錄在它們爬行時(shí)果蠅幼蟲內(nèi)部閃爍的神經(jīng)細(xì)胞。我們的高速度使我們能夠測(cè)量身體的復(fù)雜，3D運(yùn)動(dòng)和神經(jīng)元在這些運(yùn)動(dòng)中的活動(dòng)。我們可以這樣做是實(shí)時(shí)的。“

該成像產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)。為了理解它，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了跟蹤每個(gè)本體感受細(xì)胞的算法，并確定在爬行過(guò)程中身體壓縮和伸展時(shí)的確切活動(dòng)時(shí)間。

“我們看到每個(gè)細(xì)胞的位置使其對(duì)身體整體形狀的特定變化敏感，當(dāng)我們排列所有神經(jīng)元的信號(hào)時(shí)，我們看到他們產(chǎn)生了反映每個(gè)身體部位運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)信號(hào)序列， “該論文的共同第一作者，Wenze Li博士說(shuō)，他最近在哥倫比亞希爾曼實(shí)驗(yàn)室獲得了電氣工程博士學(xué)位。“這就像一臺(tái)漂亮的機(jī)器。”

“我們的實(shí)驗(yàn)一致表明，當(dāng)幼蟲爬行時(shí)，每個(gè)本體感受器神經(jīng)元的反應(yīng)都不同，如果幼蟲受到限制就無(wú)法進(jìn)行觀察，”Grueber博士說(shuō)，他也是生理學(xué)和細(xì)胞學(xué)的副教授。哥倫比亞大學(xué)Vagelos醫(yī)師和外科醫(yī)生學(xué)院的生物物理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)。“我們實(shí)時(shí)看到，當(dāng)動(dòng)物的身體伸展時(shí)，一些神經(jīng)元是如何發(fā)射的，而其他神經(jīng)元?jiǎng)t在被壓縮時(shí)發(fā)射。”

科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)一直假設(shè)本體感受伴隨著冗余，因?yàn)殛P(guān)閉這些神經(jīng)元中的一個(gè) - 甚至一些神經(jīng)元只能使幼蟲爬行更慢。然而，今天的研究發(fā)現(xiàn)，每個(gè)神經(jīng)元都有自己稍微不同的角色，并且精確定位以感知?jiǎng)游镞\(yùn)動(dòng)的特定方面。該團(tuán)隊(duì)證明了這條規(guī)則不僅適用于爬行，而且對(duì)于編碼更復(fù)雜的動(dòng)作非常重要。

“我們?cè)谄谱g這些細(xì)胞的代碼方面取得了很大進(jìn)展，”瓦迪亞說(shuō)。

首先由Hillman博士及其同事在2015年描述，SCAPE(掃描共焦對(duì)齊平面激發(fā))顯微鏡通過(guò)用一張激光掃描它們來(lái)形成活體樣品的3D圖像。SCAPE的獨(dú)創(chuàng)性在于能夠通過(guò)一個(gè)固定的物鏡投射和檢測(cè)這個(gè)移動(dòng)的光片。SCAPE提供的3D成像速度比逐點(diǎn)掃描物體的傳統(tǒng)顯微鏡快500倍。

SCAPE尤其適用于對(duì)諸如果蠅等小生物進(jìn)行成像，因?yàn)樗鼈兛梢苑浅Ｍ该?，并且足夠小，可以?duì)整個(gè)大腦或身體 - 以及它們內(nèi)部的單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行成像。

“蒼蠅，蠕蟲和魚的大腦比人類簡(jiǎn)單得多，但這讓我們有機(jī)會(huì)逐個(gè)細(xì)胞地了解一個(gè)完整的神經(jīng)系統(tǒng)是如何工作的，”希爾曼博士說(shuō)，他也是哥倫比亞工程公司的生物醫(yī)學(xué)工程教授。和哥倫比亞大學(xué)Vagelos醫(yī)師和外科醫(yī)生學(xué)院的放射學(xué)教授。“我們有充分的理由相信，如果我們能夠更好地理解這些簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，那么所吸取的教訓(xùn)將擴(kuò)展到更復(fù)雜的系統(tǒng)，包括哺乳動(dòng)物。”

SCAPE捕捉大腦的能力正處于最佳狀態(tài)，因?yàn)镕ly和Human Connectome Projects等計(jì)劃旨在建立神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和連接的詳細(xì)地圖。BRAIN計(jì)劃的一個(gè)主要目標(biāo)，即為SCAPE的發(fā)展提供資金并支持Drs。Hillman和Grueber的合作，就是破譯這種結(jié)構(gòu) - 功能關(guān)系。最終目標(biāo)是利用SCAPE等新工具來(lái)準(zhǔn)確理解大腦細(xì)胞之間數(shù)十億的連接，與其復(fù)雜的活動(dòng)并行，能夠產(chǎn)生大腦能夠產(chǎn)生的復(fù)雜行為。

“我們已經(jīng)證明，SCAPE可以跟蹤和繪制爬行果蠅幼蟲中的本體感受神經(jīng)元，這只是許多研究中的第一個(gè)，現(xiàn)在可以探索其他動(dòng)物的蒼蠅和神經(jīng)系統(tǒng)，”李博士說(shuō)。“我們現(xiàn)在可以逐字地標(biāo)記任何類型的細(xì)胞，并在動(dòng)物移動(dòng)，進(jìn)食甚至形成記憶時(shí)發(fā)現(xiàn)它正在做什么;可能性是無(wú)窮無(wú)盡的。”