麻省理工学院和波士顿大学的研究人员使用一种能够在大脑细胞处于电活动状态时点亮的荧光探针，表明它们可以一次成像小鼠大脑中许多神经元的活动。

Y. Eva Tan神经技术教授兼生物工程学教授Edward Boyden说，可以使用简单的光学显微镜执行的这项技术可以使神经科学家可视化大脑内电路的活动并将其与特定行为联系起来。以及麻省理工学院的脑科学和认知科学。

麻省理工学院麦戈文脑科学研究所媒体实验室的成员博登说：“如果要研究一种行为或疾病，就需要对神经元群体的活动进行成像，因为它们在网络中协同工作。”和科赫综合癌症研究所。

研究人员表明，使用这种电压感应分子，他们可以记录到比任何现有的，完全基因编码的荧光电压探针还多的神经元的电活动。

这项研究的主要作者是波士顿大学生物医学工程系副教授博伊登(Boyden)和薛汉(Xu Han)，该研究发表在10月9日的《自然》网络版上。该论文的主要作者是麻省理工学院的博士后Kiryl Piatkevich，BU的研究生Seth Bensussen和BU的研究科学家曾华安。

神经元使用快速的电脉冲进行计算，这是我们的思想，行为和对世界的感知的基础。测量这种电活动的传统方法需要将电极插入大脑，这是一项劳动强度大的过程，通常使研究人员一次只能记录一个神经元。多电极阵列可以同时监视许多神经元的电活动，但它们的采样密度不足以使所有神经元均处于给定的体积内。钙成像确实可以进行这种密集的采样，但是它可以测量钙，这是对神经电活动的间接和缓慢的测量。

在2018年，博伊登(Boyden)的团队开发了一种替代方法，通过用荧光探针标记神经元来监测电活动。他的小组使用一种称为蛋白质定向进化的技术，设计了一种称为Archon1的分子，该分子可以遗传插入神经元中，并在那里嵌入细胞膜中。当神经元的电活动增加时，分子变亮，并且可以用标准光学显微镜看到这种荧光。

在2018年的论文中，博伊登(Boyden)和他的同事表明，他们可以使用该分子对透明蠕虫和斑马鱼胚胎的大脑以及老鼠的脑切片中的电活动进行成像。在这项新研究中，他们希望尝试将其用于生活中的清醒小鼠，因为他们参与了特定的行为。

为此，研究人员必须修改探针，使其进入神经元膜的一个子区域。他们发现，当分子将自身插入整个细胞膜时，由于从神经元延伸出来的轴突和树突也发出荧光，因此产生的图像变得模糊。为了克服这个问题，研究人员附上了一个小的肽，该肽可以将探针特异性地引导至神经元细胞体的膜上。他们称这种修饰蛋白为SomArchon。

博登说：“有了SomArchon，您可以将每个单元视为一个不同的球体。”“每个细胞可以使自己大声而清晰地说话，而不受其邻居的污染，而不是使一个牢房的光模糊所有邻居。”

研究人员使用这种探针在大脑纹状体的一部分中成像活动，当老鼠在球上奔跑时，它参与了计划运动。他们能够同时监视多个神经元的活动，并将每个人的活动与小鼠的运动相关联。老鼠奔跑时，一些神经元的活动增加，有些下降，而其他则没有明显变化。

“多年来，我的实验室尝试了许多不同版本的电压传感器，但直到这个时候，它们中的任何一个都不能在哺乳动物的活脑中工作。”

使用这种荧光探针，研究人员能够获得与电探针记录的测量结果相似的测量结果，从而可以在非常短的时间内获得活性。这使测量结果比现有技术(如钙成像)更具信息性，神经科学家通常将其用作电活动的代理。

“我们想记录毫秒级的电活动，” Han说。“我们从钙成像获得的时间尺度和活动模式非常不同。我们真的不完全知道这些钙变化与电动力学之间的关系。”

使用新的电压传感器，即使在神经元未发射峰值时，也可以测量活动中发生的很小波动。韩说，这可以帮助神经科学家研究微小的波动如何影响神经元的整体行为，而这以前在活人大脑中很难做到。

映射电路

研究人员还表明，这种成像技术可以与光遗传学相结合。光遗传学是由博登实验室和合作者共同开发的技术，该技术允许研究人员通过对神经元进行改造以表达光敏蛋白，从而开启和关闭神经元。在这种情况下，研究人员用光激活了某些神经元，然后测量了这些神经元中产生的电活动。

这项成像技术还可以与扩展显微镜相结合，Boyden实验室开发了一种在对脑组织进行成像之前对其进行扩展的技术，从而可以更轻松地高分辨率查看神经元之间的解剖联系。

博伊登说：“我梦dream以求的实验之一是对大脑中所有活动进行成像，然后使用扩展显微镜来发现这些神经元之间的连接。”“那么我们可以预测神经计算如何从布线中出现。”

博伊登说，这种接线图可以使研究人员查明是脑部疾病的潜在电路异常，也可以帮助研究人员设计更接近人类大脑的人工智能。