几年前，一台计算机同时记录10,000个神经元的活动还是新闻。转眼间，已经有人达到了百万。科幻小说《三体》中，面壁者海因斯冬眠八年后，人类研制出计算能力比冬眠前提高10000倍的计算机，人类可以对人脑进行全景分析。虽然现在还没有面壁者计划，但在现实世界中，扫描大脑的技术一直在发展，其速度比摩尔定律还要快：在过去的十年里，人类记录细胞的数量增加了近一个——折叠。一万次。而美国洛克菲勒大学瓦齐里实验室最近的一项研究，再次大幅增加了计算机实时检测到的细胞数量，达到了100万个神经元。按照这个速度，到2030年，我们可能能够解析人脑中大约1000亿个神经元中的1亿个细胞。Vaziri的实验室显示了单个神经元依次闪烁的脑钙成像。在一篇提交给Biorxiv的论文《High-Speed, Cortex-Wide Volumetric Recording of Neuroactivity at Cellular Resolution using Light Beads Microscopy》中，研究人员实现了以2赫兹的频率扫描一百万个活跃神经元的记录，这是让计算机了解你在想什么的第一步也是重要的一步。再过几十年，我们或许就能实现“思维导图”，以接近实时的速度实现心理诊断，让疾病的治疗更有针对性。双光子显微镜和可遗传编码的钙指示剂已成为分散脑组织神经活动高分辨率成像的标准工具。然而，它的各种实现并没有以原则性的方式克服速度和时空采样之间固有的权衡。这对于以与细胞分辨率和解析钙瞬变兼容的速度实现中等大小的神经活动体积记录至关重要。在论文中，研究人员提出了光珠显微镜(LightBeadsMicroscopy,LBM)，这是一种可扩展且时空最优的采集方法，仅受荧光寿命的限制，其中一组轴向分离且时间上不同的焦点几乎同时记录整个轴向成像场，从而实现以每秒1.41×10^8体素的速率记录体积测量值。使用LBM，这项研究展示了小鼠皮层中多个尺度的细观和体积成像。在大约3×5×0.5mm^3的体积内包括细胞分辨率记录。其中在~5Hz时包含>200,000个神经元，在~2Hz时在~5.4×6×0.5mm^3中包含约100万个神经元，以及在更高速度(9.6Hz)速率体积记录下的亚细胞分辨率。LBM为发现哺乳动物大脑皮层中全层编码和信息处理的神经计算提供了前所未有的视角。论文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.02.21.432164v2在论文中，研究人员展示了LBM：一种用于介观和体积2pM的高速光学采集技术。在LBM中，显微镜扫描一组轴向分离且时间上不同的焦点（即“珠”），而不是单个焦点（图1a）。珠子在单个像素的驻留时间内记录样品整个深度范围（~500μm）的信息，因此LBM在扫描单个平面所需的时间内捕获整个体积。此外，通过样本优化空间采样，LBM可以将体积FOV扩展到介观尺度，同时保持与GCaMP兼容的体积速率。这里的灯珠是通过一种基于腔的多路复用方法形成的，这种方法被称为多重轴向多路复用模块(MAxiMuM)。MAXiMuM的独特之处在于它可以将N缩放到由GCaMP的荧光寿命和激光的重复率施加的限制，并且可以控制每个光束的相对功率和位置。它提供30倍轴向多路复用、141MHz体素采集率和16μm平面到平面轴向分离，用于以荧光寿命有限的信息速率进行密集标记的组织体积采样经过优化并与使用每个体素一个脉冲的激发兼容，以最大限度地提高利用整个脉冲间时间间隔的SNR。研究人员通过在表现出GCaMP6s转基因表达的清醒小鼠的新皮质中进行体内成像来验证LBM。使用优化的空间采样策略后，可以在约3×5×0.5mm^3的体积内保持约5Hz帧速率的扫描，解决了GCaMP瞬态问题。作者重新定位了FOV，以在单个皮质半球内包含尽可能多的不同区域，包括SSp、PTLp、RSP和VISp（图2a）。为了刺激FOV中更多功能区域的神经活动，研究人员还找到了刺激视觉等一些感官的方法。这种方法的典型记录时间约为9-30分钟，涵盖1.59-460,000个神经元。如果在5.4×6×0.5mm^3的体积内以2Hz扫描，覆盖的神经元范围可以扩大到100万个。如果要提高扫描速度，最高可达9.6Hz。
