Multi-region two-photon calcium imaging in freely moving animals
作者们介绍了 MINI2P-II，这是一种轻量化双色双光子微型内窥镜系统，它能够在自由活动的动物身上实现跨越广泛分离脑区的同步、高分辨率钙成像，从而揭示自然行为过程中复杂的跨区域神经协调。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
大脑并非一个单一、孤立的指挥中心，而是一个由遥远区域组成的庞大网络，每个区域处理特定任务，同时又在不断地相互交流。为了理解像奔跑、攀爬或鸣叫这类复杂行为是如何产生的，科学家必须观察这些遥远的区域如何同步放电。几十年来，用于观察这种活动的工具迫使研究者做出艰难的选择：他们要么使用微型摄像头在自由活动的动物身上观察单个脑区，要么使用电极同时监听多个区域，但电极往往会损伤组织或随着时间的推移而无法追踪相同的细胞。观察单个细胞活动的“金标准”是一种被称为双光子显微成像的技术，它利用聚焦光线以惊人的清晰度深入观察活体组织内部。然而，这种高质量成像所需的设备在历史上一直过于沉重，无法由小型动物携带，从而限制了这些详细视图只能在被麻醉或被固定在静止机器上的动物身上进行观察。
现在，一组研究人员开发出了一种打破重量障碍的解决方案，使他们能够在动物自由活动时，实时观察大脑中遥远的区域如何协同工作。他们创造了一种名为 MINI2P-II 的新型设备，这是一种重量仅为 1.1 克的微型显微镜，轻到足以让小鼠甚至小型鸣禽携带，而不会干扰它们的自然行为。通过在单个动物身上安装两个这样的设备，科学家们首次实现了以这种精细程度同时记录两个不同脑区的数据。他们证明了这一装置适用于研究大脑两半球在进行艰巨体力任务时如何协调、邻近脑区如何编码空间信息，以及幼鸟的大脑如何学习鸣叫。这项工作为观察分布式神经回路的协调活动打开了一扇窗，展示了大脑复杂的对话可以在其完整的、自然的语境中被观察到。
这一成就的核心在于这种新型显微镜的设计，研究人员将其称为 MINI2P-II。以往尝试缩小双光子显微镜体积的尝试通常会导致图像质量下降或失去观察大脑深处的能力。新设备通过重新思考光线如何在仪器中传播克服了这一难题。设计者没有使用许多独立的透镜和反射镜，而是将多种功能整合进单个组件中，并折叠了光路，使其占据相同的物理空间。他们还用轻质碳纤维材料取代了沉重的金属部件，并使用了一种新型光纤电缆，即使在动物扭转和转身时也能保持激光光的稳定。结果是，该设备比前代产品减轻了不到一半的重量，却提供了更清晰的图像、更宽的视野以及观察更深层脑组织的能力。至关重要的是，该设备是模块化的，这意味着不同的部件可以进行更换或升级，而无需重建整个系统。
为了证明这种轻量化设备能够捕捉剧烈运动期间的大脑活动，研究人员在执行挑战性体力任务的小鼠身上进行了测试。他们训练小鼠爬垂直梯子以获取食物奖励，这种行为需要前肢和后肢的精确协调。利用两台 MINI2P-II 显微镜，他们同时记录了大脑左右两侧运动皮层的活动。数据表明，大脑的两侧并不只是简单的镜像关系。在爬行过程中，右侧大脑的活动始终领先于左侧大脑约零点几秒，这表明对于这种复杂的运动存在特定的指令序列。此外，当他们观察单个细胞而非仅仅是平均活动时，发现特定组的神经元在爬行期间会在大脑两侧以紧密的集群形式共同放电，而其他组的神经元则表现为相反的放电模式。这些复杂的协调模式在仅观察单侧大脑或对所有细胞的活动取平均值时是无法察觉的。
研究人员还展示了这项技术可以用于研究距离非常接近的脑区，由于两个设备在动物头上会发生物理碰撞，使用两个独立的显微镜进行此类研究在以前是不可能的。他们开发了一种新的光学组件，本质上是一个由特制透镜和棱镜组成的微型潜望镜，可以将显微镜的视角向侧方和下方偏移。这使得他们可以将两台显微镜安装在同一只小鼠的头部一侧，同时观察两个相邻的不同脑区。使用这种设置，他们记录了后扣带皮层和后顶叶皮层，这两个区域已知有助于动物进行环境导航。他们发现，虽然这两个区域都包含在动物靠近墙壁时放电的细胞，但后扣带皮层的细胞更有可能在墙壁位于动物左侧时放电，而顶叶皮层的细胞对墙壁位置的反应则更为均衡。这种关于两个区域如何映射世界的微妙差异，如果不在同一只动物体内同时记录这两个区域，是无法检测到的。
最后，该设备的极轻量化特性使团队能够将这些研究扩展到更小的动物和更幼小的发育阶段。他们成功地将显微镜应用于斑胸笑鹃（一种小型鸣禽）的大脑研究。在成年鸟类中，他们观察到负责鸣叫控制的脑细胞在鸟类与雌性互动时保持静默，但在鸟类开始鸣叫的瞬间便爆发式活跃。他们还记录了一只仍在学习鸣叫的幼鸟。在这些幼鸟中，即使在不鸣叫时，脑细胞也是活跃的，这表明存在一种持续练习和学习的状态。在如此年幼且自由活动的鸟类身上实现这种水平的细节观察在以前是无法达到的，因为更重、更旧的显微镜会对这种小型动物造成过重的负担。
这一项目的成功证明，神经科学工具在重量和尺寸方面的限制并非不可逾越。通过将重新设计的显微镜与巧妙的光学配件相结合，研究人员提供了一种观察大脑运作的新方式。他们展示了大脑的复杂行为源于不同区域之间动态且协调的对话，而这些对话现在可以在动物自由穿梭于世界时被观察到。这种方法提供了一个强大的新视角，让我们去理解神经回路是如何发育、学习以及失效的，且无需干扰科学家想要研究的自然行为。
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