Combining ultra-flexible electrodes with two-photon imaging to illuminate brain-wide neural dynamics
本文提出了一种结合长期植入超柔性电极与双光子钙成像的方法，用于同时记录小鼠的皮层下及皮层神经活动，从而能够研究跨越慢脑状态与快涟波事件的全脑动力学。
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
想象一下，大脑就像一座永不眠歇、繁忙喧嚣的大型城市。为了理解这座城市是如何运作的，科学家们需要倾听其不同街区正在进行的对话。长期以来，研究人员有两种主要的“窃听”方式。一种方法就像是在特定的街角放置一个超高速、高科技的麦克风；它能以惊人的速度听到每一个单词（单个神经细胞的脉冲），但它是僵硬的，一次只能监听一个很小的区域。另一种方法则像是使用一台巨大的、慢动作的无人机摄像机，从高空俯瞰整座城市；它可以观察交通流量和整个区域的情绪（细胞群），甚至能识别出谁在驾驶什么类型的汽车（特定类型的细胞），但它无法听到正在被说出的每一个单词。
巨大的挑战在于，这两种工具并不兼容。那些僵硬的麦克风过于笨重，难以放置而不遮挡无人机的视野，而且当无人机的强光照射时，它们经常会产生“静电”或干扰。这意味着科学家们必须做出选择：要么去聆听城市深处快速且详细的对话，要么去观察表层缓慢的大局情绪，但很难同时做到这两者。了解大脑深层部分如何与表层部分进行交流至关重要，因为这有助于我们理解我们是如何学习、记忆事物，以及为什么我们的脑部有时会生病。
在这项研究中，一个研究团队构建了一种全新的工具来解决这个问题。他们制造了“超柔性触手电极”（UFTEs），它们就像是极其细长、柔软且可弯曲的绳索，由特殊材料制成。把它们想象成幽灵般的、隐形的钓鱼线，可以温柔地降入大脑深处黑暗的隧道中，而不会扰动水流。因为它们如此柔软且纤细，所以不会阻挡无人机摄像机的视野，而且它们非常安静，以至于摄像机的强光不会在录音中产生静电噪音。
研究人员在清醒且活动的小鼠身上测试了这种新装置。他们在脑部深处植入了这些柔性绳索，以监听丘脑（一个中继站）、海马体（一个记忆中心）和皮层（思考发生的外部层）。与此同时，他们使用两光子显微镜（即无人机摄像机）来观察大脑外层中的神经元，这些神经元经过基因改造，在活跃时会发出荧光。
结果令人印象深刻。这些柔性绳索可以固定数周之久，使团队能够反复追踪同一个个体神经细胞。他们发现，这些绳索产生的来自显微镜光的干扰几乎为零——这种“静电”极其微小（约3.7微伏），与真实的脑信号相比几乎是不可见的。这使得他们能够以前所未有的方式观察大脑：在聆听深层脑细胞快速、精准的喋喋不休的同时，同步观看表层细胞那缓慢、发光的舞动。
通过这种结合视角，团队发现了不同的大脑区域如何根据小鼠的行为进行交流。当小鼠奔跑或保持警觉时，深层大脑区域和表层区域似乎以一种特定的、低维的方式同步，就像一位指挥家在领导一支管弦乐队。然而，当小鼠休息时，这种对话发生了变化。他们还观察了“涟漪”，这是记忆中心内非常快速的活动爆发。他们发现，在这些涟漪期间，记忆中心会变得兴奋，但中继站和表层往往会变得安静。有趣的是，在这些涟漪期间变得安静的细胞，正是那些在小鼠奔跑时变得兴奋的细胞。
这项研究并不声称已经解开了大脑所有的奥秘，但它表明，通过结合这两种强大的倾听和观察工具，我们终于可以观察到大脑深层和浅层是如何作为一个团队协同工作的。研究人员展示了这种新方法是稳定且可靠的，它为研究学习或疾病过程中全脑网络的变化打开了大门，且不会受到以往存在的噪音和混乱的影响。
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