水流和光子:神经科学家使用成像或电生理监测神经活动吗?

自从路易吉伽尔伐尼应用电击死青蛙腿,看着他们抽搐1780年代神经科学,电极是一个重要组成部分。

系统神经科学的基础是由实验者的大脑将电极插入动物和听喋喋不休的神经元活动。在1959年大卫·休博尔开发钨微电极提供优秀解决峰值来自单个神经元。然后他和托尔斯滕·威塞尔继续描述视觉皮层神经元在回答什么眼睛看到。

在1970年代,约翰·奥基夫植入电极在自由移动的大鼠的海马体,指出某些神经元只有当老鼠是在特定的地方,他开始描述大脑的内在的导航系统。之后,爱德华•莫泽和可能Britt莫泽显示邻内嗅皮层也包含神经元发射在空间上确定方面,这一次呈网格状分布叠加在动物的环境。

这两个诺贝尔奖获得者的工作和许多其他调查显示体内的力量电生理学揭示大脑如何编码的信息,和如何优雅的神经活动与感觉输入、认知过程或运动神经系统的输出。

但是今天的系统神经科学家面临一个选择。虽然他们研究的动物参与一些知觉,memory-dependent,决策或其他任务,他们应该如何监测神经活动吗?他们应该使用电极吗?还是他们引入神经元的选择一个分子信号时,这些细胞是活跃的和形象的活动吗?

神经成像成为的主要技术1990年代随着钙指示剂染料的发展,但是人气飙升体内神经科学发展后,在2001年GCaMP——融合三种蛋白质,会发出荧光钙绑定和可基因引入特定的细胞类型。

起初,许多生理学家都怀疑钙成像。成像和电生理学经常被视为竞争的最好方法是解决相同的实验问题。Georg凯勒——使用双光子显微镜图像视觉皮层活动在巴塞尔弗雷德里希米歇尔生物医学研究所,瑞士——回忆道,五到十年前,人们经常回顾他的论文要求他确认他使用电生理学研究。

但现在,他说,思想已经改变,这些请求已经停止。“是互补的方法——这并不是说一个比另一个更好或更糟,”凯勒说。“这是变得清晰你调整你的问题的方法。”

爱德华•莫泽赞同的。他获得诺贝尔奖的工作是使用电极,但现在他还图像神经元在特隆赫姆的挪威科技大学,挪威。“这两个混合在一起,”莫泽说,“电生理学有很强的时间分辨率,成像具有较强的空间分辨率,所以我们使用它们,解决不同的问题。”

这些差异在时间和空间分辨率的两个技术之间的差异表,所有这些需要考虑当决定使用哪一个。

的数字游戏

去年,阿曼萨利姆伦敦大学学院的,出版了一本纸描述动物的感知自己的位置在空间中影响其视觉皮层代表它的方式。最初的实验使用电生理学,后来的钙成像。问他为什么换了,萨利姆回答很简单:“更多的细胞!”

在一个实验中使用电生理学,四只老鼠提供可用的记录从226个神经元。在一个成像实验中,四只老鼠产生数据从8610年视觉皮层神经元,其中4958有可靠的视觉反应。至关重要的是,活动记录使用每个技术给了相同的结论。

的能力形象立刻从几百个神经元是最被广泛引用钙成像的优势。大视场双光子的尤其如此成像。收集尽可能多的数据尽可能细胞同时也有很多优点。最适切地,在大部分脑区神经元异构发射特性——例如,不到10%的网格内嗅皮质神经元细胞,只有一小部分视觉皮层神经元的类型”功能探测器”,休博尔和威塞尔的工作是基于。因此,为了得到一个公正的抽样大脑区域的编码属性,增加发现神经元在做有趣的事情的机会——这是许多细胞好样品。

事实上,正如神经科学家为了了解编码属性从神经元的数量,他们越来越关注许多同时记录神经元之间的相互作用来描述网络属性。此外,在研究旨在了解在不同的大脑区域活动进行协调,小从两个区域的神经元的样本可能不显示相关活动,在大样本。

观察许多神经元使用钙成像也特别有用,当大脑区域只活跃,稀疏的表示阿巴斯Kheirbek加州大学旧金山分校(UCSF)。在海马齿状回——次区域Kheirbek的大部分研究侧重于——不到5%的神经元活动在任何给定的时间。这意味着神经元很难找到当样本量很小。

然而,萨利姆并注意电生理学在这方面是惊人的。是一门学科,研究神经元几十年来一个接一个,的出现四极管(4电线捆绑在一起)多点硅探测器在2000年代和1990年代允许数以千万计的神经元同时被记录。但是现在最近开发的高密度多点电极记录的神经元。

例如,Neuropixelsprobes有1000记录网站和显示,2017年,能够记录从500年细胞分布在五个不同的大脑区域。最近,罗兰UCSF弗兰克的组描述灵活的聚酰亚胺探针,与1024年记录网站,此举与大脑的运动在自由移动的啮齿动物。这些长期植入和能够稳定显示记录的神经元数周。

阿巴斯Kheirbek旧金山加州大学的实验室使用钙成像技术观察细胞在海马齿状回——地区只有不到5%的神经元活动在任何给定的时间。

被记录的是什么?

在GCaMP-based成像,钙指标的基因是不同的神经元亚型表达的选择,这些细胞传感器做出自己的活动。或GCaMP表达许多不同类型的神经元,和其他荧光蛋白表达在特定的细胞类型单独识别它们。无论哪种方式,实验者能够明确确定的类型或类型的神经元记录。莫泽Kheirbek和凯勒所有引用这个技术的一个巨大的优势。

相比之下,电生理学家可以识别他们记录的大脑区域,但除此之外,他们必须确定神经元是一个电子波形。一些神经元,如快速飙升中间神经元,产生峰值可以被一眼认出来,但总的来说有一个程度的不确定性哪些神经元研究了。一个解决这个问题的办法是表达,基因细胞类型定义,可以激活光敏蛋白质在记录证实细胞功能响应的身份。

但是钙成像还可以用来检查细胞隔间。它经常被结合高分辨率双光子成像检查信号树突。凯勒是用它来学习轴突的信号。“与成像,这是微不足道的,”他说。GCaMP-carrying病毒在一个领域注入,然后GCaMP合成后,贩卖到轴突终端,这些终端的信号送到一个遥远的地区的利益可以成像。

最后,一旦视觉神经元的一个字段定义使用成像是直接回到人群,确定之前细胞成像,因此,从相同的神经元数天或积累数据周之后,这些神经元如何改变属性与学习。与大多数电生理技术,然而,轻微的运动神经元电极相对于他们记录从导致电家里的变化形式。这导致缺乏信心在说同样的神经元被记录于随着时间的推移,尽管新的高密度灵活探测器由弗兰克和他的同事们可以克服这个问题。

被记录是什么?

离子的电极记录直接影响神经元膜来回流动。电子记录,研究者可以检测单个动作电位,加上当地潜在的——一个更大的领域,通常振荡信号反映了当地人口的平均活动的神经元。

相比之下,钙成像图只有一个代理的神经活动,多因子的兴衰在细胞内钙导致的神经元活动。钙成像,因此,适合指示哪些神经元活跃在一个给定的任务,用一种近似但平滑显示的具体活动。

这个问题——如何细胞内钙含量与神经元的电活动,这使很多生理学家看守成像当它第一次出现。钙离子的选择,因为尽管通量的钾和钠的生物电杂务,细胞内钙离子浓度增加到一棵动作电位放电后,给予一个很好的信号噪声比。

然而,细胞内的钙离子浓度之间的关系和数量的峰值神经元发射了通常是非线性的和可以在细胞类型之间差异显著。此外,钙含量上升和下降非常缓慢而实际的膜电位的变化。“钙成像的时间分辨率不能匹配的电生理学记录,“莫泽说。

莫泽解释说,因为钙信号累积有偏见在大多数录音的探测脉冲峰值和高度活跃的神经元。因为钙信号慢,上升和下降超过10毫秒的年代或100年代——他们不能给准确信息,飙升的时间相对于另一个神经元,或相对于当地的领域的潜力。

“对一些问题这些物质和对他人的不是,和一个可能满意钙成像作为代理的神经活动,“莫泽说。可以作为例子,电生理学是可取的,他引用顺序显示不同的海马的地方工作领域成为活跃在粗纱动物相对于当地的时机θ(8 - 12 Hz)振动领域的潜力和海马神经元的方式重演活动简短尖波涟漪。

Kheirbek行为的研究中,时间是一个重要因素。的动物研究可能保持工作记忆痕迹在决策任务只有一两秒钟。钙信号代表活动超过100年代的毫秒或第二个真的不传达有用的信息的神经元是如何动态响应在这样短暂的时间窗口。

进一步考虑在使用钙指标是钙结合分子缓冲免费胞质钙。这意味着他们可能破坏钙基细胞内信号。

动物能做什么呢?

目前,高质量的成像通过双光子显微镜,对大多数实验室,只有实现head-fixed动物。这限制行为的动物可以从事什么,虽然是一个数组可能的任务,把动物放在虚拟现实模拟器也会有所帮助。

钙成像在自由移动的动物,研究人员越来越多地使用迷你头盔内视镜,尽管低于双光子成像图像质量,还提供优秀的数据从许多神经元。

电生理技术一直磨练戴技术工作,允许自由移动的动物研究。这是非常真实的,灵活的,住聚酰亚胺探针与1024年记录的网站。相比之下,虽然自由流动记录仍有可能使用Neuropixels探测器,这些探测器记录head-fixed动物似乎更适合。

在那里

电生理学需要将电极插入大脑,同时成像在任何地址栏最表层的皮质需要插入光纤,镜片或windows进入大脑。多少伤害这些过程仍然是一个相对被忽视的话题的讨论。

然而,基于神经元的数量理论上存在于组织的体积的一个电极胞外记录,电生理学家发现他们通常只检测信号的一小部分数量。这表明一个好的沉默或数量的神经元,很有可能,受损或死亡。

获得光学访问造成的损害大脑区域可以坦率地大,但是100年代成像神经元通常微米的镜头,因此可能没有直接的物理创伤。这些问题变得更加明显,当大脑中的感兴趣的领域是更深层次的或多个脑区需要访问。

理解数据

成像和电生理学都需要仔细分析数据,以确保生成的高质量的结果。核心问题是确保实验者说的是单个神经元确实是一个神经元。如果两个相邻神经元产生动作电位波形相似,这一对神经元可能错误地归因于一个细胞。同样地,如果一个地区的成像视场包含来自两个神经元的胞浆,类似的错误可以发生在成像。

因此,自动化数据分析算法不断被完善,半手工质量控制步骤是最耗时的部分技术。长认可作为生理学分析瓶颈,Kheirbek说,经历一个从40分钟的成像会话数据文件,接受和拒绝感兴趣的区域识别算法,可以把一个完整的一天。

未来

神经科学技术从不固步自封。显微镜的进步继续快速增长,无论是硬件获取图像和使用分子生成这些信号。例如,莫泽兴奋使用小型化,安装双光子显微镜。此外,新的荧光团操作使用长波长光例如,保证图像的能力深入大脑而不需要移除覆盖组织。

另一个创新将产生重大影响神经成像技术的发展电压敏感染料。长,理论上合理、电压指标需要敏感和快速响应小电压变化和表达在足够高的水平给强劲的信号。这些问题正在日益被解决和电压成像可以提供许多建立钙成像,同时给一个直接的好处,实时读出神经元膜电位的变化。“人们使用它们非常感兴趣,”Kheirbek说,“这只是时间问题。”

同样,小说生理学方法继续出现。除了新的高密度多站点数组,还有其他令人兴奋的技术涌现,如神经灰尘,微小的植入颗粒使用超声波信号传输神经活动的信息。

现在,不同的研究人员维护他们自己的偏好。凯勒拥抱成像的多功能性特征——在视觉皮层神经元的活动多年来使用成像,他现在成像信号到达轴突到达分成从其他地区——视觉皮层。莫泽,而剩余的兴奋什么头戴双光子显微镜可以带给他的导航系统的研究,电生理学的说,“在许多方面,我仍然喜欢它,非常高的时间分辨率,你记录每一个高峰”。

Saleem图表是如何导航系统与视觉系统,他是高兴戴成像内窥镜在体内电生理学平行运行。虽然Kheirbek的成像平台继续被用于一天18小时探索更深的海马体的功能,它很快就会与一个新的Neuropixels钻机运行。

而不是反对的两种技术,当代神经科学拥有奢侈的选择最好的工具来工作。