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我們的大腦內有數以百億計的神經細胞 (神經元) ，它們持續通過發送在一毫秒（0.001秒）轉瞬即逝的化學物質和電子訊號來互相交流著。 而在每一毫秒之間，這些數十億計的訊號，在一閃而過的瞬間在腦部交織形成網狀系統，激發出彎彎繞繞的亮光圖案，這就是大腦控制情緒、感知、思想、行動和記憶等功能行爲的起始點，而在一些異常情況下，一些腦神經病變，例如阿茲海默症和帕金遜症等的成因。

二十世紀的神經科學面臨的重大挑戰，是解構大腦神經活動的模式，為開發大腦潛能，以及為預防和治療一些大腦神經疾病，提供線索。大腦研究的一個關鍵點，是捕捉腦部複雜閃現的神經活動，從而了解整個腦部當中層層相扣的互動情況。可是，以目前的技術，還未有顯微鏡速度高至能追蹤這些訊號在轉瞬之間的動態變化、成像記錄下來。

香港大學電機電子工程系副教授和生物醫學工程課程總監謝堅文博士，與美國加州大學柏克萊分校細胞及分子生物學的Ji Na教授合作帶領的團隊，開發了一種嶄新的超高速顯微鏡 --- 雙光子螢光顯微鏡，能捕捉神經元之間的電子訊號和化學物質傳遞。團隊成功在實驗中，記錄一隻活體老鼠腦部神經元所產生在毫秒間閃現的電脈衝訊號。

研究成果已在學術期刊《自然方法》（Nature Methods）發表。研究專案由美國國家衛生研究院資助。

這台高速顯微鏡的核心技術，是早前由謝博士團隊研發的一種超高速激光掃描技術 — FACED （註一），創新性利用了一對平行的反射鏡來產生一排激光脈衝，速度比現有的激光掃描技術至少快1000倍。

在實驗中，研究人員利用高速顯微鏡將掃描激光投射在小鼠腦部，為一隻小鼠的大腦皮層進行每秒1000至3000次的二維掃描影像。研究小組採用了一種由美國史丹福大學Michael Lin博士研發的蛋白質分子感應器，植入老鼠大腦的神經元內，用作探測神經元之間確實的電訊號。

「這些人工改造的蛋白質，在電壓變化的訊號通過神經元時，會發出亮光（螢光）。顯微鏡檢測到這些螢光訊號後形成一個二維圖像，顯示出腦部電壓訊號的位置。」謝博士說。

「這是一個相當令人興奮的成果，現在我們終於能窺探到這些“神秘” 快速的神經元活動，從而加深對大腦功能的認知，更為重要的是為腦部疾病的研究提供基本的線索。」謝博士補充。

這項技術的另一個重要突破，是能夠追蹤那些極微弱、不會觸發神經元達到活躍狀態的訊號。這些微弱訊號（又稱閾下訊號） 相信與許多大腦病變有關，但卻極難捕捉和檢測，以往因缺乏高速成像技術，一直未能深入研究。

除了神經元間的電子訊號，團隊還利用高速顯微鏡捕捉老鼠大腦皮層的化學物質變化包括鈣和谷氨酸（一種神經遞質），它們慢動作傳遞的狀況，深度達到大腦表面以下三分之一毫米。

這項新技術的優點是低創傷性，對實驗動物的入侵性相比傳統的研究方法低很多。傳統記錄腦部傳導電流的方法是在大腦組織中植入或嵌入電極針，有機會對神經元造成傷害，並只能探測到在電極針附近的少數神經元所產生的模糊訊號。新技術不會傷害神經元，還能精確定位個別神經元，以毫秒為單位追蹤它們的激發路徑。

「這是一項非常獨特的嶄新科技，有能力偵測活腦中單一個神經元在毫秒間的活動變化，迄今為止未有技術能及。這將是神經科學研究的基石，能打開更準確「解碼」大腦神經訊號之門。」謝博士說。

研究團隊將進一步擴展高速顯微鏡的功能，更深入探索大腦的神經活動模式。

「我們計劃進一步結合其他先進的顯微鏡技術，以實現更高分辨率、更廣視野、更深入大腦皮層（約1毫米）的成像技術，深入偵測大腦的神經活動，進一步和更全面了解大腦的功能。」謝博士說。

下載圖片及影片。

有關文章詳情:
Kilohertz two-photon fluorescence microscopy imaging of neural activity in vivo
Jianglai Wu, Yajie Liang, Shuo Chen, Ching-Lung Hsu, Mariya Chavarha, Stephen W Evans, Donqging Shi, Michael Z Lin, Kevin K Tsia, Na Ji
Nature Methods 17, pages287–290(2020)
https://www.nature.com/articles/s41592-020-0762-7

註一: 有關FACED 的新聞稿: https://www.hku.hk/press/press-releases/detail/c_16239.html

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