新型Mini2P微型脑显微镜可高分辨率研究动物神经网络
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摘要：一种名为 Mini2P 的新型微型脑显微镜使研究人员能够以高分辨率研究自然行为动物的神经网络活动。
资料来源： NTNU
“我们的梦想是发明一扇通往大脑的窗口，这样当我们思考、计划、感觉和记忆时，我们就可以看到大脑内部发生了什么，”May-Britt Moser 教授在描述她和她的长期合作者教授的对话时说Edvard Moser 在 1990 年代初曾是年轻的心理学学生。
Moser 是挪威科技大学 (NTNU) 神经计算中心的创始主任和 Kavli 系统神经科学研究所的联合主任，也是诺贝尔奖获得者，与她的研究伙伴 Edvard Moser 分享了Kavli 系统神经科学研究所。
今天，Leif Erikson the Mouse 是实现这一梦想的第一步。鼠标在他的头上配备了一个窗口。窗口顶部是2.4克纯技术创新。便携式“Mini2P”或许可以最好地描述为一个微型皮质观测站，记录神经景观的实时图像，这些图像以前从未见过。
从大脑实时报告
在老鼠 Leif Erikson 的大脑中，成千上万的神经元正在协同工作以解决一项非常具体的任务。当少数细胞开始亮起时，这种活动是可见的。不久之后，其他细胞亮起。
Mini2P 可以从负责 Leif 导航技能的大脑区域实时记录。研究人员在屏幕上看到闪烁的脑细胞，同时使老鼠能够找到穿过地板的路，爬上一座攀登塔，到达塔顶，美味的香草奶油曲奇碎块等待着它。
“如果我们想了解复杂的行为，动物必须能够自由移动并以自然的方式行事，”Edvard Moser 说。“Mini2P 是第一个让我们能够以高分辨率研究自然行为动物的神经网络活动的工具。”
大发明小包装
Mini2P 的基本机制与光学显微镜或人眼没有太大区别。光的最小单位称为光子。Mini2P 使用来自激光的两束和两束微小光束以高分辨率精确地激发和记录神经元。
“在开发 Mini2P 时，我们遵循了两条我们不愿意妥协的规则，”宗伟建说。Zong 是一篇描述该技术的新论文的第一作者，并且是 Kavli 研究所的研究员。
“第一条规则是对设备的任何改进都不得影响动物的自然行为。因此，我们知道我们必须减轻重量，以使显微镜及其电缆尽可能轻巧灵活，”他说。“第二条规则是我们不能在显微镜的性能上妥协。如果我们希望研究人员在新工具上投入时间，那么微型镜的功能必须比其前身表现得更好。”
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Mini2P 的几个出色设计功能之一是微型电可调镜头。通过使用静态电压，Zong 能够在不引起温度升高的情况下控制透镜的曲率。改变晶状体的曲率将触发 Mini2P 在皮层的表面和更深的细胞层之间移动焦平面，从而实现脑组织的 3D 结构记录。
从水母那里借来的基因使脑细胞在彼此聊天时发光。
生物发光让研究人员能够准确地看到哪些细胞参与了对话的不同部分。他们还可以观察神经对话如何产生老鼠然后“在外部世界”制定的想法。
研究人员还可以根据它们表达的基因和与之交流的大脑区域对脑细胞进行颜色编码。这使研究人员能够了解哪些类型的脑细胞必须协作才能产生不同的认知能力。
Mini2P 同时记录数千个脑细胞。它可以跟踪同一个脑细胞一个多月，即使在最剧烈的活动中也能保持注意力集中，比如从 22 厘米高的塔上反复跳跃。Mini2P 可以探索整个大脑皮层的不同区域和心理功能。
研究人员已经在大脑的多个区域测试了 Mini2P，例如导航系统、记忆中心和视觉区域。通过使用一种拼布被子技术，它可以绘制更大的神经景观，例如视觉皮层上的 10 000 个脑细胞。所有测量都是在鼠标自由移动并做它通常做的事情时进行的。这在 Mini2P 之前是不可能的。
让 Mini2P 与最接近的现有技术相抗衡
1 光子微型显微镜已经存在了十年。他们有几个问题。分辨率不够，成像速度太慢，不能在Z轴上移动焦平面，或者不能用于大部分高活性和高细胞密度的皮层。
Mini2P 允许从沿 Z 轴的多个平面进行记录，范围从细胞的亚结构（如轴突分支）到一万个细胞的地形图。当前的双光子显微镜台式版本重 0.5 吨，几乎占据了整个房间。
“这可能是我们在 Moser 实验室做出的唯一一项发明，所以我们最好把它做成一个好的发明，”诺贝尔奖获得者、挪威大学 Kavli 系统神经科学研究所联合主任 Edvard Moser 说科学技术学院（NTNU）。这里与领导该开发项目的 Kavli 研究员 Weijiian Zong 和 May-Britt Moser 共同领导该研究所并分享诺贝尔生理学和医学奖。图片来源：Kavli 系统神经科学研究所/NTNU
台式显微镜需要将鼠标的头部固定到位，这限制了鼠标的自然运动。它还用虚拟现实取代了鼠标对现实世界的访问。这不像老鼠通常会经历的那样，这意味着它的行为可能也不自然。
另一方面，Mini2P 的重量为 2.4 克，配备超柔韧的激光和集光电缆，使鼠标能够像在头上不带 Mini2P 的情况下一样自由和动态地移动。
Mini2P 是开源的
“我们相信 Mini2P 改变了游戏规则，我们希望与世界各地的神经科学家和实验室分享它，”May-Britt Moser 说。
“从每一次记录中收集的研究数据量，也可能在减少研究中使用的动物数量方面发挥作用，”她说。这种新工具还可以在了解脑部疾病方面发挥重要作用。
“阿尔茨海默病通常始于内嗅皮层的损伤，”Edvard Moser 说。“我们知道阿尔茨海默氏症会导致导航能力和记忆力不足。这些是由数千个脑细胞共同协作产生的大脑功能。”
“Mini2P 提供了一种方法来监测自由移动的小鼠中数千个细胞之间的动态变化，使用的小鼠品系是研究阿尔茨海默病的模型生物，”他解释道。“标记不同细胞类型的能力也可能使我们能够识别哪些细胞容易受到与阿尔茨海默病相关的早期变化的影响，”Edvard Moser 说。
Mini2P 是一项开源发明，可从位于特隆赫姆的 NTNU 的 Kavli 系统神经科学研究所获得。可从 GitHub 获得蓝图、购物清单和教学影片。该研究所还将在今年晚些时候提供研讨会。