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Illuminating neuron activity in 3-D

New technique allows scientists to monitor the entire nervous system of a small worm. Watch Video


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研究人员在澳门太阳城最新网站和维也纳大学创建了整个揭示活的动物的大脑的神经活动的成像系统。这种技术,第一,可以在毫秒级生成整个大脑的3 d电影,可以帮助科学家发现网络是如何处理的神经感觉信息和产生的行为。

The team used the new system to simultaneously image the activity of every neuron in the worm Caenorhabditis elegans, as well as the entire brain of a zebrafish larva, offering a more complete picture of nervous system activity than has been previously possible.

“看着在大脑中仅有一个神经元的活性不会告诉你这些信息是如何被计算;对于这一点,你需要知道上游的神经元在做什么。并了解特定神经细胞的活动意味着,你必须能够看到下游的神经元在做什么,” ED博伊登,生物工程和脑,并在澳门太阳城最新网站认知科学和的领导者之一的副教授研究团队。 “总之,如果你想了解的信息正在从轰动集成一路的动作,你必须看到整个大脑。”

The new approach, described May 18 in Nature Methods,还可以帮助神经科学家更多地了解脑部疾病的生物学基础。 “我们真的不知道,对于任何脑部疾病,涉及细胞的确切集合,”博伊登说。 “在整个神经系统可帮助确定了涉及性脑功能障碍的细胞或网络,导致对治疗的新观念调查活动的能力。”

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Researchers at MIT and the University of Vienna have created an imaging system that reveals neural activity throughout the brains of living animals.

Video: Melanie Gonick/MIT

High-speed 3-D imaging

神经元中编码信息 - 感知数据,马达计划,情绪状态,和想法 - 使用电脉冲称为动作电位,其惹钙离子流入每个小区,因为它闪光。通过改造荧光蛋白焕发当他们结合钙,科学家们可以直观神经元的这种电点火。然而,到现在为止还没有办法像在大体积的这种神经活动,在三维空间中,并在高速。

用激光束扫描所述脑能产生神经活动的3-d的图像,但它需要较长的时间来拍摄图像,因为每个点都必须单独进行扫描。 MIT的研究小组想达到类似3-d成像,但加速过程,以便他们可以看到神经元放电,这只需毫秒,因为它发生。

The new method is based on a widely used technology known as light-field imaging, which creates 3-D images by measuring the angles of incoming rays of light. Ramesh Raskar, an associate professor of media arts and sciences at MIT and an author of this paper, has worked extensively on developing this type of 3-D imaging. Microscopes that perform light-field imaging have been developed previously by multiple groups. In the new paper, the MIT and Austrian researchers optimized the light-field microscope, and applied it, for the first time, to imaging neural activity.

用这种显微镜的,通过被成像的样品发射的光通过的透镜阵列,其折射向不同方向的光传送。样品的每个点产生的光的大约400种不同的点,然后可以使用计算机算法来重新创建3-d结构重组。

“如果你有你的样品中的一个发光的分子,而不是仅仅重新调整它变成一个单点相机上的方式定期显微镜做,这些微小的镜头将其投影到光多点。从这一点,可以推断的是分子在三维位置,说:”博伊登,谁是澳门太阳城最新网站媒体实验室的成员,对大脑研究麦戈文研究所。

Prevedel built the microscope, and Yoon devised the computational strategies that reconstruct the 3-D images.

aravinthan萨穆埃尔,哈佛大学物理学教授,他说这种做法似乎是一个“非常有前途”的方式来加快生活,运动动物的3-d成像,并与他们的行为相关的神经元活动。 “什么是非常令人印象深刻它是,它是这样一个优雅简单的实现,”萨穆埃尔,谁没有研究团队的成员如是说。 “我能想象许多实验室采用此。”

Neurons in action

研究人员利用这种技术来形象神经活动的蠕虫℃。线虫,对于其全部神经布线图是已知的唯一的生物体。该1毫米蜗杆具有302层的神经元,如蜗杆进行自然的行为,如爬行其中每个研究者成像。他们还观察到的感官刺激,如气味神经元响应。

下行光场显微镜,博伊登说,是分辨率不作为的缓慢扫描样品技术一样好。当前的分辨率足够高看单个神经元的活动,但研究人员目前正在研究改进它,以便在显微镜也可用于神经元的图像部分,如长期树突,从神经元的主要机构分支出来。他们也希望加快计算过程中,目前需要几分钟来分析成像数据的一秒钟。

The researchers also plan to combine this technique with optogenetics, which enables neuronal firing to be controlled by shining light on cells engineered to express light-sensitive proteins. By stimulating a neuron with light and observing the results elsewhere in the brain, scientists could determine which neurons are participating in particular tasks.

其他共同作者在MIT包括尼基塔小唐,在机械工程博士学位的学生,和戈登wetzstein,在媒体实验室的研究科学家。在澳门太阳城最新网站工作由艾伦脑科学研究所资助;健康的国家机构;澳门太阳城最新网站的合成智能项目;在IET哈维奖;美国国家科学基金会(NSF);纽约干细胞基金会 - 罗伯特森奖;谷歌;美国国家科学基金会中心的大脑,思维,以及澳门太阳城最新网站的计算机;和Jeremy和Joyce韦特海默。 


Topics: 3-D imaging, 3-D, Neuroscience, Microscopy, Biological engineering, Brain and cognitive sciences, Optogenetics, McGovern Institute, Media Lab

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