幾年前，計(jì)算機(jī)同時(shí)記錄一萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)就會(huì)成為新聞。轉(zhuǎn)眼間，現(xiàn)在已經(jīng)有人做到一百萬(wàn)了。

在科幻小說(shuō)《三體》中，面壁者希恩斯冬眠八年后，人類研究出了比他冬眠前計(jì)算能力高一萬(wàn)倍的計(jì)算機(jī)，這樣人類就可以對(duì)人腦進(jìn)行全景解析了。

雖然還沒(méi)有什么面壁者計(jì)劃，但現(xiàn)實(shí)世界里，掃描大腦的技術(shù)一直在發(fā)展的過(guò)程中，其速度也要比摩爾定律來(lái)得更快：過(guò)去的十年間，人類同時(shí)記錄細(xì)胞的數(shù)量增加了近一萬(wàn)倍。而最近來(lái)自美國(guó)洛克菲勒大學(xué) Vaziri 實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)研究，再次大幅度增加了計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)細(xì)胞的數(shù)量，達(dá)到了 100 萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元。

按照這樣的速度，到 2030 年我們或許就可以實(shí)現(xiàn) 1 億個(gè)細(xì)胞的解析，而人腦中的神經(jīng)元數(shù)量約為 1000 億個(gè)。

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Vaziri 實(shí)驗(yàn)室展示的大腦鈣成像結(jié)果中，單個(gè)神經(jīng)元依次閃爍。

在提交到 Biorxiv 的論文《High-Speed, Cortex-Wide Volumetric Recording of Neuroactivity at Cellular Resolution using Light Beads Microscopy》中，研究人員實(shí)現(xiàn)了以 2Hz 的速度掃描一百萬(wàn)個(gè)活動(dòng)神經(jīng)元的記錄，這是讓計(jì)算機(jī)獲知你在想什么的第一步，也是重要一步。

在幾十年后，我們或許就可以實(shí)現(xiàn)「思想映射」，以接近實(shí)時(shí)的速度實(shí)現(xiàn)心理診斷，讓疾病的治療變得更加具有針對(duì)性。

雙光子顯微鏡和可遺傳編碼的鈣指示劑已經(jīng)成為散射腦組織中神經(jīng)活動(dòng)高分辨率成像的標(biāo)準(zhǔn)工具。然而，它的各種實(shí)現(xiàn)沒(méi)有以原則上的方式克服速度和時(shí)空采樣之間固有的權(quán)衡問(wèn)題。這對(duì)于在細(xì)胞分辨率和解析鈣（resolving calcium）瞬間兼容的速度下實(shí)現(xiàn)神經(jīng)活動(dòng)的中度尺寸體積記錄是必不可少的。

在該論文中，研究者提出了 Light Beads Microscopy（LBM），這是一種可擴(kuò)展且時(shí)空上最佳的采集方法，僅受熒光壽命的限制，其中一組軸向分離且時(shí)間上不同的焦點(diǎn)幾乎同時(shí)記錄了整個(gè)軸向的成像范圍，從而實(shí)現(xiàn)體積測(cè)量以每秒 1.41 × 10^8 體素的速度錄制。使用 LBM，該研究展示了小鼠皮層中多個(gè)尺度的介觀和體積成像。包括大約 3×5×0.5 mm^3 體積內(nèi)的細(xì)胞分辨率記錄。其中包含在大約 5Hz 處 > 200,000 個(gè)神經(jīng)元，在約 2Hz 處約 5.4×6×0.5mm^3 范圍內(nèi)的約 100 萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元的種群，以及以更高速度（9.6 Hz）的亞細(xì)胞分辨率的體積記錄。

LBM 提供的視野是前所未有的，借助它可以發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物大腦皮質(zhì)全層編碼和信息處理基礎(chǔ)的神經(jīng)計(jì)算。

論文鏈接：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.02.21.432164v2

研究者在論文中演示了 LBM：一種同時(shí)用于介觀和體積 2pM 的高速光學(xué)采集技術(shù)。在 LBM 中，顯微鏡掃描一組軸向分離且時(shí)間上不同的焦點(diǎn)（即「beads」），而不是單個(gè)焦點(diǎn)（圖 1a）。beads 在單個(gè)像素的停留時(shí)間內(nèi)記錄了樣品整個(gè)深度范圍（約 500 µm）中的信息，因此 LBM 在掃描單個(gè)平面所需時(shí)間內(nèi)捕獲了整個(gè)體積。此外，通過(guò)采樣優(yōu)化的空間采樣，LBM 可以將體積 FOV 擴(kuò)展到介觀尺度，同時(shí)保留與 GCaMP 兼容的體積率（volume rate）。這里的 light beads 是通過(guò)一種基于腔的多路復(fù)用方法形成的，該方法稱為多軸軸向多路復(fù)用模塊（Many-fold Axial Multiplexing Module，MAxiMuM）。

MAxiMuM 的獨(dú)特之處在于，它可以將 N 縮放到 GCaMP 的熒光壽命和激光器的重復(fù)頻率所造成的極限，并且可以控制每個(gè)光束的相對(duì)功率和位置。其提供了 30 倍的軸向多路復(fù)用，141 MHz 的體素（voxel）采集速率以及 16 µm 的平面 - 平面軸向間隔，這些條件針對(duì)以熒光壽命限制的信息率對(duì)密集標(biāo)記的組織體積的采樣進(jìn)行優(yōu)化和兼容，使用每體素一個(gè)脈沖的 SNR 最大化的激勵(lì)，同時(shí)利用整個(gè)脈沖間時(shí)間間隔。

研究人員通過(guò)在清醒并表現(xiàn)出轉(zhuǎn)基因表達(dá) GCaMP6s 的小鼠體內(nèi)的新皮質(zhì)中進(jìn)行體內(nèi)成像來(lái)驗(yàn)證 LBM。在使用優(yōu)化空間采樣策略后，可以在大約 3×5×0.5mm^3 的體積內(nèi)保持約 5Hz 幀率的掃描，解決 GCaMP 瞬態(tài)問(wèn)題。作者重新定位了 FOV，使其在單個(gè)皮層半球內(nèi)盡可能多的包含不同區(qū)域，包括 SSp、PTLp、RSP 和 VISp（圖 2a）。為了刺激 FOV 中更多功能區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)，研究人員還找到了一些視覺(jué)等感官刺激的方法。

這種方式典型的記錄時(shí)間范圍大約在 9-30 分鐘之間，覆蓋 159-46 萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元。如果在 5.4×6×0.5mm^3 體積內(nèi)以 2Hz 頻率掃描，覆蓋的神經(jīng)元范圍則可以擴(kuò)展到 100 萬(wàn)個(gè)。如果想要把掃描的速度提升，最高可以達(dá)到 9.6Hz。