用算法分析顯微鏡圖像，以實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元具體行為的研究與分析

近日，MIT 的工程師團(tuán)隊(duì)發(fā)明一種自動(dòng)化方法，利用計(jì)算機(jī)算法來(lái)分析顯微鏡圖像，并將“機(jī)械臂”引導(dǎo)到目標(biāo)細(xì)胞上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元具體行為的研究與分析。

據(jù)了解，這項(xiàng)技術(shù)可以讓更多科學(xué)家對(duì)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(xì)胞的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)人腦的認(rèn)知、感覺知覺和其他功能。此外，研究人員還可以通過(guò)此項(xiàng)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(duì)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(chǔ)和臨床神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)。當(dāng)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(xiàng)技術(shù)讓你看見細(xì)胞內(nèi)究竟發(fā)生了什么?！?/p>

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(bǔ)”的技術(shù)來(lái)記錄細(xì)胞的電位活動(dòng)。這種技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)就是，用一個(gè)微小的空心玻璃管與神經(jīng)元的細(xì)胞膜接觸，然后在膜上打開一個(gè)小的孔來(lái)觀察。這項(xiàng)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(xí)和操作。尤其在哺乳動(dòng)物的大腦中，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)更難學(xué)。

此前，該“貼補(bǔ)”技術(shù)有兩種類型，一種就是盲目隨機(jī)的選取位置，因?yàn)檠芯咳藛T無(wú)法看見細(xì)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(xì)胞的精確位置。還有一種是利用圖像引導(dǎo)，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(fù)補(bǔ)丁的方法，他們編寫了一種計(jì)算機(jī)算法，該算法可以根據(jù)一種叫做電阻抗特性來(lái)引導(dǎo)吸管對(duì)準(zhǔn)一個(gè)細(xì)胞。

這一方法也體現(xiàn)出了此前手動(dòng)探尋細(xì)胞位置是多么困難，因?yàn)榧词故抢盟惴ǎ彩峭ㄟ^(guò)計(jì)算機(jī)不斷的嘗試和計(jì)算來(lái)逼近最終的位置。具體過(guò)程就是，如果周圍沒有細(xì)胞，電流會(huì)降低，阻抗也會(huì)降低，尖端就會(huì)移動(dòng)，當(dāng)尖端到達(dá)一個(gè)細(xì)胞時(shí)，電流就不會(huì)流動(dòng)，阻抗隨之迅速增高，從而計(jì)算機(jī)就可以讓尖端迅速鎖定細(xì)胞位置。

當(dāng)移液管的尖端鎖定位置后，它就停在細(xì)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(xì)胞內(nèi)部的電位活動(dòng)。

雖然這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了很高的精度，但它仍然無(wú)法用于鎖定特定的目標(biāo)細(xì)胞。為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定向操作，研究人員開始嘗試結(jié)合自動(dòng)圖像引導(dǎo)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(xì)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(jié)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(biāo)細(xì)胞內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)這一更高的精度，系統(tǒng)將圖像技術(shù)與利用阻抗特性的技術(shù)結(jié)合在一起。

隨后研究人員用雙光子顯微鏡對(duì)細(xì)胞進(jìn)行成像，然后利用脈沖激光將紅外線送入大腦，讓被設(shè)計(jì)用來(lái)表達(dá)熒光蛋白的細(xì)胞變亮，以便于追蹤和識(shí)別。

現(xiàn)在，利用這種最新的方法，研究人員能夠成功鎖定目標(biāo)細(xì)胞，成功率達(dá)到20％。這與訓(xùn)練有素的科學(xué)家在人工操作過(guò)程中的表現(xiàn)相當(dāng)。

總結(jié)

伴隨著腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展與生物科技的持續(xù)升溫，這一研究方法將成為關(guān)鍵性基礎(chǔ)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(jì)算機(jī)或是機(jī)器人來(lái)替代學(xué)生，減免學(xué)生在重復(fù)工作上的時(shí)間耗費(fèi)，無(wú)疑是一項(xiàng)極大的進(jìn)步。同時(shí)該項(xiàng)研究的計(jì) 算機(jī)錄像也十分便于共享研究，某種程度上實(shí)現(xiàn)了資源的整合。該技術(shù)也將極大促進(jìn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)o(wú)解疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ』蚓穹至寻Y等）的研究。