用算法分析圖像，實(shí)現對神經(jīng)元行為的精準“錄像”研究

伴隨著(zhù)腦機接口技術(shù)的發(fā)展與生物科技的持續升溫，這一研究方法將成為關(guān)鍵性基礎技術(shù)。

近日，MIT 的工程師團隊發(fā)明一種自動(dòng)化方法，利用計算機算法來(lái)分析顯微鏡圖像，并將“機械臂”引導到目標細胞上，以實(shí)現對神經(jīng)元具體行為的研究與分析。

據了解，這項技術(shù)可以讓更多科學(xué)家對單個(gè)神經(jīng)元進(jìn)行研究，并且去了解單個(gè)神經(jīng)元是如何通過(guò)與其他細胞的相互作用來(lái)實(shí)現人腦的認知、感覺(jué)知覺(jué)和其他功能。此外，研究人員還可以通過(guò)此項技術(shù)去了解神經(jīng)回路是如何受到大腦紊亂的影響的。

對此MIT生物工程的副教授解釋道：“了解神經(jīng)元的溝通方式是基礎和臨床神經(jīng)科學(xué)的基礎。當神經(jīng)元在工作或是神經(jīng)元處于病態(tài)時(shí)，我們希望通過(guò)這項技術(shù)讓你看見(jiàn)細胞內究竟發(fā)生了什么。”

精度

在過(guò)去30年，神經(jīng)科學(xué)家一直采用一種叫做“貼補”的技術(shù)來(lái)記錄細胞的電位活動(dòng)。這種技術(shù)的具體實(shí)現就是，用一個(gè)微小的空心玻璃管與神經(jīng)元的細胞膜接觸，然后在膜上打開(kāi)一個(gè)小的孔來(lái)觀(guān)察。這項技術(shù)通常需要一個(gè)研究生或博士后用幾個(gè)月的時(shí)間來(lái)學(xué)習和操作。尤其在哺乳動(dòng)物的大腦中，這項技術(shù)將會(huì )更難學(xué)。

此前，該“貼補”技術(shù)有兩種類(lèi)型，一種就是盲目隨機的選取位置，因為研究人員無(wú)法看見(jiàn)細胞的具體位置，所以只能記錄每一次的嘗試位置，以此來(lái)尋找細胞的精確位置。還有一種是利用圖像引導，但該方法的精度也不高。

12年，Boyden和其同事發(fā)明了一種自動(dòng)修復補丁的方法，他們編寫(xiě)了一種計算機算法，該算法可以根據一種叫做電阻抗特性來(lái)引導吸管對準一個(gè)細胞。

這一方法也體現出了此前手動(dòng)探尋細胞位置是多么困難，因為即使是利用算法，也是通過(guò)計算機不斷的嘗試和計算來(lái)逼近最終的位置。具體過(guò)程就是，如果周?chē)鷽](méi)有細胞，電流會(huì )降低，阻抗也會(huì )降低，尖端就會(huì )移動(dòng)，當尖端到達一個(gè)細胞時(shí)，電流就不會(huì )流動(dòng)，阻抗隨之迅速增高，從而計算機就可以讓尖端迅速鎖定細胞位置。

當移液管的尖端鎖定位置后，它就停在細胞表面，然后利用真空泵通過(guò)吸力將膜與尖端形成封閉空間，然后，透過(guò)膜的電極會(huì )記錄細胞內部的電位活動(dòng)。

雖然這項技術(shù)已經(jīng)達到了很高的精度，但它仍然無(wú)法用于鎖定特定的目標細胞。為了實(shí)現精準的定向操作，研究人員開(kāi)始嘗試結合自動(dòng)圖像引導技術(shù)，手動(dòng)完成操作。但值得注意的是，此處移液管的尖端進(jìn)入大腦后，附近的細胞是會(huì )自動(dòng)移動(dòng)，故而手動(dòng)操作十分艱難。

于是基于與多種成像技術(shù)的結合，研究人員又提出了一種算法，該算法將移液管移動(dòng)到大約25微米的目標細胞內。為了實(shí)現這一更高的精度，系統將圖像技術(shù)與利用阻抗特性的技術(shù)結合在一起。

隨后研究人員用雙光子顯微鏡對細胞進(jìn)行成像，然后利用脈沖激光將紅外線(xiàn)送入大腦，讓被設計用來(lái)表達熒光蛋白的細胞變亮，以便于追蹤和識別。

現在，利用這種最新的方法，研究人員能夠成功鎖定目標細胞，成功率達到20%。這與訓練有素的科學(xué)家在人工操作過(guò)程中的表現相當。

總結

伴隨著(zhù)腦機接口技術(shù)的發(fā)展與生物科技的持續升溫，這一研究方法將成為關(guān)鍵性基礎技術(shù)，為特定神經(jīng)元行為的深入研究鋪平了道路。此外，讓計算機或是機器人來(lái)替代學(xué)生，減免學(xué)生在重復工作上的時(shí)間耗費，無(wú)疑是一項極大的進(jìn)步。同時(shí)該項研究的計 算機錄像也十分便于共享研究，某種程度上實(shí)現了資源的整合。該技術(shù)也將極大促進(jìn)醫學(xué)領(lǐng)域對無(wú)解疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ』蚓穹至寻Y等）的研究。

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