盘点现代神经科学中的新旧技术（上）

　　尽管研究人员现在已经有了多种工具可以同时记录数百个神经元，并且能够控制啮齿类动物大脑中小部分的细胞，但是人类的大脑仍然是一个谜。大脑有大约860亿个神经元，由100兆个突触相连，这个重三磅的器官仍然是一个创纪录的科学难题。

　　

生物通报道：在上世纪80年代中期，纽约大学神经科学研究所的神经科学家György Buzsáki就试图进入大鼠脑部。当时在加州大学圣地亚哥分校工作的他，用乙醚和低温来麻醉每只动物，穿过它的头皮，并在颅骨上钻孔。他小心地将16枚不锈钢镀金电极植入大鼠脑内。当他做这些手术时，这些直径只有0.5毫米的微小金属片，可让他测量来自大脑褶皱深处的单个神经元的电压变化，而所有的啮齿动物都处于清醒和移动的状态。当动物探索周围的环境，学习并记住它所遇见的事物时，他能记录到细胞的动作电位（J Neurosci，8:4007-26，1988）。相关阅读：Nature发布神经科学新技术：CNiFERs。

在那些日子里，同时来自两个细胞的记录是常态。Buzsáki 在1988年发表的一项研究中，最多能够在一只大鼠中放置16个电极设备，是有史以来规模最大的。如今，科学家可以用硅多电极芯片，同时测量来自1000个神经元的电压变化。但是使用探针来测量大脑电生理学或脑电图的基本技术，在神经成像实验室中仍然是繁琐艰苦的。耶鲁大学医学院的神经学家Jessica Cardin说：“新工具不会取代旧的。它们只是添加了新的信息层。”

索取BioRad ZOE荧光细胞成像仪的详细技术资料，请填写表格

今天依然流行的另一项几十年的神经科学技术是膜片钳（patch clamping）。它是在20世纪70年代末和20世纪80年代初开发的，可以检测单个细胞，甚至是单个离子通道的电势变化。用一个小小的玻璃吸管吸细胞的细胞膜，研究人员可以做出一个小的撕裂，用吸管尖端密封，并检测细胞内的电压变化。随着一些改进——如电生理学和EEG，膜片钳一直是科学家的工具包的一部分。最近，研究人员用一台机器人来执行过程（Nat Methods，9:585-87，2012）。

然而，膜片钳是侵入性的，只记录单个细胞，并不能测量很长一段时间，因为该过程可能干扰细胞的正常运作。相反，半个世纪前，一些科学家使用一种更微创、更耐用和高吞吐量的方法：钙成像（J Cell Comp Physiol，59:223-39，1962）。当一个动作电位到达轴突末端时，钙离子向内生长。为了探测这一切是什么时候发生的，科学家们利用荧光分子与钙结合。

然而，最初的努力是笨拙的，只在90年代和21世纪初随着钙传感器和显微镜技术的提高，才使得这项技术人气飙升。现在，一种最流行的传感器是基因编码的钙指示剂（GECI）GCaMP6，由一种绿色荧光蛋白和钙结合蛋白钙调素融合而成（Nature，499:295–300、2013）。当一个神经元放电时，这些蛋白质会像闪电一样发出光。通过对动物头骨的一个区域进行细化，形成一个“颅窗”，科学家们可以观察到皮层的外层中是何时何地发生动作电位的。斯坦福大学医学院神经学家David Prince说：“你可以取一只活的和功能性的小鼠，头固定在一个点上。但是动物仍然可以在跑步机上跑。你可以在它的大脑中检测到荧光信号，并尝试将这些变化与它的行为变化联系起来。”

但是钙成像有其自身的缺陷。它只能测量在50 - 100毫秒的时间尺度上的电活动变化，而一个动作电位发生在短短的1毫秒内。另一方面，膜片钳和其他电极，可以测量单个动作电位。

为了不断探索大脑的神经网络，科学家们开发了一种新的技术来观察大脑的结构。例如去年，麻省理工大学的神经生物学家Ed Boyden和他的同事们介绍了扩展显微镜，它能使脑组织样本扩大到体积的100倍，同时保留其原有的分子排列。在加入鲜艳的色彩探针之后，这个团队影响了小鼠海马体的细胞和突触（Science，347:543-48，2015）。Boyden说，了解大脑的解剖，将更有助于揭示它是如何运作的。

盘点现代神经科学中的新旧技术（下）

（生物通：王英）