Mini2P：一个开源的微型脑显微镜

“我们的梦想是发明一扇通往大脑的窗户，这样我们就能看到当我们思考、计划、感觉和记忆时大脑内部发生了什么，”梅-布里特·莫泽教授说，她描述了她和她的长期合作伙伴爱德华·莫泽教授在20世纪90年代早期作为年轻的心理学学生时的对话。莫泽是挪威科技大学(NTNU)神经计算中心的创始主任和卡弗里系统神经科学研究所(Kavli Institute for Systems Neuroscience)的联合主任，也是诺贝尔奖得主，她与她的研究伙伴、卡弗里系统神经科学研究所(Kavli Institute for Systems Neuroscience)的联合主任爱德华·莫泽(Edvard Moser)分享了她的研究。

便携式的“Mini2p”或许可以被最好地描述为一个微小的皮质观测台，记录着从未见过的神经景观的实时图像。

在小鼠的大脑里，成千上万的神经元在一起工作来解决一个非常特殊的任务。这种活动是可见的，因为很少细胞开始发光。不久，其他细胞也亮了起来。

Mini2p可以实时记录负责雷夫导航技能的大脑区域。研究人员在屏幕上看到的闪烁的脑细胞，与此同时也使鼠标能够找到穿过地板的路，爬上一座攀登的塔，到达塔的屋顶，在那里美味的香草奶油饼干碎屑等着它。

“如果我们想要了解复杂的行为，动物必须能够自由地移动，并以一种自然的方式行动，”爱德华·莫泽说。“Mini2p是第一个可以让我们以高分辨率研究行为自然的动物的神经网络活动的工具。”

Mini2p的基本机制与光学显微镜或人眼没有太大区别。光的最小单位叫做光子。Mini2p利用两束又两束来自激光的光来精确地刺激和记录神经元，而且是高分辨率的。

宗维建表示:“在开发Mini2p时，我们遵循了两条不愿妥协的原则。”宗是描述这项技术的一篇新论文的第一作者，他是卡弗里研究所的一名研究员。

“第一条规则是，任何设备的改进都不能影响动物的自然行为。所以，我们知道我们必须减轻重量，使显微镜和它的电缆尽可能轻和灵活，”他说。“第二条规则是，我们不能在显微镜的性能上妥协。如果我们想让研究人员在一种新工具上投入时间，迷你望远镜的功能必须比以前的工具表现得更好。”

Mini2p的几个设计出色的特点之一是一个微小的电动可调谐镜头。通过使用静态电压，Zong能够在不引起温度升高的情况下操纵透镜的曲率。改变晶状体的曲率将触发Mini2p在皮层表层和深层细胞层之间的焦点平面移动，这也使得大脑组织的3D结构记录成为可能。

一种从水母身上借来的基因能使脑细胞在相互交谈时发光。

生物发光让研究人员确切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想法，然后小鼠在“外部世界”做出反应。

研究人员还可以根据脑细胞所表达的基因和与之交流的大脑区域给脑细胞进行颜色编码。这使得研究人员可以了解哪种类型的脑细胞必须合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，即使是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可以探索大脑皮层的不同区域和心理功能。

研究人员在大脑的多个区域测试了Mini2p，如导航系统、记忆中枢和视觉区域。通过使用一种拼布技术，它可以绘制更大的神经景观，比如视觉皮层中有1万个脑细胞。所有的测量都是在鼠标自由移动和正常活动的情况下进行的。这在Mini2p之前是不可能的。

单光子微型望远镜已经问世十年了。他们有几个问题。分辨率不够，成像可能太慢，不能在z轴上移动焦平面，或者不能用于皮质高活性、细胞密度高的大部分部位。

Mini2p允许在z轴上的多个平面上进行记录，范围从细胞的亚结构(如轴突分支)到10,000个细胞的地形图。目前的台式双光子显微镜重达半吨，几乎占据了整个房间。台式显微镜要求鼠标的头部固定在适当的位置，这限制了鼠标的自然运动。它还用虚拟现实取代了鼠标进入现实世界的功能。这与小鼠通常的经历完全不同，这意味着它的行为可能也不是自然的。

另一方面，Mini2p重2.4克，配有超灵活的激光和光收集电缆，可以让鼠标自由动态地移动，而不需要把Mini2p放在头上。

“我们相信Mini2p将改变游戏规则，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。

她说:“从每一份记录中收集到的研究数据的数量，可能也在减少用于研究的动物数量方面发挥了作用。”这种新工具也可以在理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，”爱德华·莫泽(Edvard Moser)说。“我们知道老年痴呆症会导致导航能力和记忆力的缺陷。这些是由数千个脑细胞共同协作而产生的大脑功能。”

他解释说:“Mini2p提供了一种方法来监测自由移动的小鼠体内数千个细胞之间的动态变化，使用的是研究阿尔茨海默氏症的模型生物小鼠菌株。”“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，”爱德华·莫泽说。

Mini2p是一项开源的发明，由特隆赫姆的NTNU卡弗里系统神经科学研究所提供。蓝图、购物清单和教学影片可从GitHub获得。该研究所还将在今年晚些时候举办讲习班。用Mini2p大脑探索者来装备你的实验室:

www.ntnu.edu/kavli/mini2p

参考文献:

Zong et al. Large-scale two-photon calcium imaging in freely moving mice.Cell. 2022 Mar 18. doi:10.1016/j.cell.2022.02.017