Neuroplex实时追踪九个独立脑回路 - 认知障碍

一项重大技术突破打破了行为神经成像领域长期存在的限制。研究人员推出了Neuroplex，这是一种成像流程，能够同时追踪自由活动小鼠中多达九个不同神经元群体的实时功能活动。

通过将轻量级头戴式微型显微镜与高端光谱共聚焦显微镜以及定制的基于Python的配准工具相结合，该流程将特定的遗传或回路身份直接映射到功能脑记录上。这个开源框架改变了科学家分析复杂神经计算的方式，为学习、衰老和神经退行性疾病进展的纵向研究提供了前所未有的工具。

关键事实

克服双色限制：传统头戴式微型显微镜可以记录行为动物中的神经活动，但缺乏光谱能力来一次区分超过两种颜色编码的细胞类型，迫使研究者进行缓慢的动物间迭代测试。
Neuroplex体内解决方案：新流程保持动物脑组织完整。它通过微型显微镜在行为过程中记录广泛的神经活动，移除显微镜后，立即使用专用共聚焦显微镜（蔡司LSM 980）通过完全相同的植入镜头解码多达九种荧光标签。
自动空间共配准：与MetaCell数据科学家合作开发，Neuroplex使用解剖标志物和定制的基于Python的配准脚本，无缝匹配并叠加功能微型显微镜影像与多色共聚焦身份图。
高通量验证：作为概念验证，研究团队针对社交行为期间从内侧前额叶皮层分支出来的九个不同投射回路。自动化程序成功地将约75%的活跃神经元分配到其特定回路身份，准确率达90%。
纵向追踪能力：由于整个配准过程在活体动物内无损进行，研究人员可以识别细胞群体并监测完全相同的神经元数周或数月，观察回路在学习或疾病期间如何变化。

马克斯·普朗克佛罗里达神经科学研究所(MPFI)的科学家与蔡司和MetaCell合作，开发了一种强大的新型成像流程，称为Neuroplex。

发表在《eLife》期刊上的这项技术，允许同时监测自由活动小鼠中多达九个不同神经元群体的活动，极大地加速了科学家探索大脑如何控制行为的步伐。

挑战

多年来，将大脑活动与行为联系起来的神经科学家面临一个基本限制：用于观察行为动物中神经活动的微型显微镜（小型头戴式显微镜）可以捕捉神经活动，但无法可靠地区分同时出现的两种以上不同类型的大脑细胞。

"要理解大脑，我们需要将特定神经元中的活动模式与行为联系起来，"主要作者Mary Phillips博士表示。

"我们可以轻松使用标签来对不同神经元群体进行颜色编码，但在使用微型显微镜将神经活动与行为相关联时，我们无法区分两种以上的这些群体。这使得比较多种细胞类型和回路的活动变得困难，而理解特定回路如何调节行为需要这种比较。"

为解决这个问题，研究人员被迫一次测试一种细胞类型，重复相同的行为实验，但每次标记不同的神经元类型。然而，这种迭代过程缓慢且成本高昂。它还阻止了在同一动物内直接比较不同神经元类型，由于个体动物之间的差异，使结论变得模糊。

作为替代方案，科学家们在行为实验后通过移除和切片脑组织来界定不同神经元类型，对不同神经元类型进行颜色编码，然后使用能够区分多种颜色的显微镜对处理过的脑组织进行成像。

然而，将微型显微镜在活体动物中成像的细胞与死后处理过的脑组织中的细胞匹配起来具有挑战性且通量低，导致大量数据丢失。此外，这种方法破坏了追踪已识别细胞类型活动随时间变化的能力，无法确定其活动如何随学习、衰老或疾病进展而变化。

解决方案：Neuroplex

为克服这些挑战，MPFI团队与蔡司和MetaCell的合作者一起开发了Neuroplex，这是一种在同一活体动物中结合两种互补成像方法的成像流程。研究人员首先使用一系列不同颜色的荧光标签对标记多达九种不同的神经回路或细胞类型。

然后，他们使用微型镜头和头戴式微型显微镜记录自由活动、行为小鼠中整个标记群体的神经活动。微型显微镜成像后（无法区分荧光标签），微型显微镜被轻轻移除，小鼠被放置在能够区分多种颜色的共聚焦显微镜下。

在这种情况下，科学家使用了蔡司LSM 980，这是一种具有光谱检测能力的共聚焦显微镜，可以区分每种不同的颜色标签。通过共聚焦显微镜，使用微型显微镜可视化的相同神经元通过相同的镜头成像，但这次可视化了颜色编码标签，确定哪些神经元属于哪种特定类型。

最后，使用解剖标志物和科学家与MetaCell开发的定制基于Python的配准工具，对微型显微镜和共聚焦的图像进行共配准。结果是，团队可以将每个神经元的颜色身份直接映射到其功能活动记录上。

"作为MetaCell对这个项目的贡献的一部分，我们帮助将收集的复杂数据转化为实用的计算工作流程，能够以更高的准确性、可重复性和可信度进行成像、配准和分析。Neuroplex展示了精心设计的计算工具如何帮助研究人员理解复杂的生物成像数据，并同时随时间研究多个神经元群体，"MetaCell的共同作者兼数据科学家Zhe Dong博士说。

作为原理证明，研究人员逆向标记了九个接收来自内侧前额叶皮层投射的脑区，这是一个对决策很重要的脑区。这使他们能够使用不同的荧光标记物来区分从前额叶皮层投射到九个其他脑区的神经元。

他们记录了动物在社交互动（嗅闻、接近和跟随）过程中所有九个回路中神经元的活动。

"Neuroplex允许直接比较社交行为期间细胞回路中的神经活动模式，克服了微型显微镜记录中的长期挑战，并大大提高了数据收集的效率和可重复性，"高级作者Ryohei Yasuda博士解释道。

科学家发现，大约75%的活跃神经元可以被分配到九种特定细胞类型之一，而用于将神经元分配到特定组的自动化程序以90%的准确率和很少的假阳性执行。

"由于Neuroplex完全通过相同的植入镜头在活体动物中进行，它使科学家能够测量不同神经元群体的活动如何随时间变化。研究人员可以在行为前识别细胞群体，并在数周或数月内监测相同的神经元，从而能够研究学习、衰老和疾病进展，"Phillips博士描述道。

下一步

该团队已经在努力对该技术进行更多改进，以提高颜色代码识别的准确性。此外，他们希望使Neuroplex对所有实验室都可访问，包括那些可能无法使用高端光谱共聚焦系统的实验室。

他们的目标是通过使用标准滤光片宽场显微镜，将这种方法广泛传播给神经科学界，将该方法的核心优势带给整个研究社区。

"细胞类型或回路特异性功能数据收集效率的提高将加速我们对行为基础神经计算的理解，"Phillips说。

"除了基础研究外，我们期望这种方法能加速理解疾病模型中的回路特异性功能变化，特别是在神经发育或神经退行性疾病模型中，这些模型受益于检查疾病进展的纵向研究。"

为传播这种方法，该团队还为希望在自己的研究中使用Neuroplex的科学家开发了教程。

资金：

这项研究由美国国立卫生研究院资助，项目编号R35-NS-116804 (RY)和F32MH120872 (M.L.P.)。本内容仅为作者的责任，不一定代表资助者的官方观点。

关键问题解答：

问：为什么科学家在这项发明之前不能简单地使用彩色灯光来观察多种细胞类型？

答：问题不在于颜色本身，而在于显微镜的物理原理。要观察小鼠在社交环境中的导航，显微镜必须足够小和轻，可以放在其头上。这些微型显微镜在捕捉神经活动的快速闪烁方面非常出色，但它们是色盲的，根本无法区分五种、六种或九种不同颜色的发光细胞。科学家可以对大脑进行颜色编码，但实时微型显微镜视频只显示单色模糊的放电神经元，掩盖了哪个细胞属于哪个回路。

问：Neuroplex如何将细胞的颜色与其实际行为记录匹配？

答：该流程将问题视为一个自动拼图。首先，微型显微镜记录所有神经元未上色的闪烁活动，同时小鼠进行社交互动。然后，微型显微镜被拆下，小鼠被放置在强大的蔡司共聚焦显微镜下，该显微镜可以通过完全相同的镜头读取全光谱颜色。最后，一个由MetaCell创建的自动化Python程序使用解剖标志物将两幅图像完美对齐，将每个细胞的颜色身份与其行为记录匹配。

问：这种流程如何帮助我们理解阿尔茨海默病等复杂脑部疾病？

答：许多脑部疾病不仅仅损害一种细胞类型；它们会随着时间的推移慢慢破坏多个细胞类型之间广泛互联网络的通信。以前，由于识别细胞类型需要杀死模型并切片脑组织，无法在单个动物中跟踪疾病进展。由于Neuroplex完全无损，科学家可以跟踪同一大脑中九个不同回路如何随着时间的推移（数周和数月的衰老或疾病）逐渐退化或适应。

编辑说明：