【摘要】 体内光学成像是在电路和细胞水平上揭示大脑结构和功能的强大工具。

体内光学成像是在电路和细胞水平上揭示大脑结构和功能的强大工具。光学成像技术包括荧光标记的树突棘或装有荧光钙指示剂的神经元的双光子显微术，以及使用钙指示剂、电压敏感染料或固有光信号对皮质活动进行宏观成像。研究表明，树突棘密度、稳定性和周转的改变、异常的皮质感觉反应、受损的抑制功能以及伴随的回路成熟失败是神经功能缺损的常见原因。来自体内成像的机械假设也为治疗干预提供了新的方向。

 

树突棘是树突上的微小（1μm）突起，在其上形成突触，主要是兴奋性谷氨酸突触。历史上，刺的密度和形状是通过高尔基的浸渍法来检查的，该方法可以揭示固定脑组织中神经元的一个子集的详细形态。然而，这些图像只提供了高度动态棘突的 "快照"，所以这些图像提供的信息可能会有误导性。例如，正常的脊柱密度可能是脊柱形成异常增强（或减少）的结果，同时也是以平衡的速度增加（或减少）消除的结果。因此，体内延时成像是一种强大的方法，通过跟踪单个脊柱的命运，确定模型小鼠是否表现出脊柱密度、形状和周转的异常。体内成像的脊柱通常用荧光标记蛋白标记，通过使用病毒载体转染或子宫内电穿孔表达或通过将模型小鼠与转基因报告小鼠品系杂交。然后可以通过双光子激发激光扫描荧光显微镜对标记的棘突进行成像，它可以通过高穿透力的近红外脉冲激光在其他不透明的脑组织内有效激发荧光分子（。然而，最好的分辨率通常还是从位于第1层的表层棘突上获得的，在皮层表面的100μm范围内，但在L2-5层的锥体神经元的顶端树突上。成像的棘突被分为不同的形态类别，如薄的（未成熟的）、粗壮的和蘑菇状的（成熟的），它们的出现、持续和消失都在几小时、几天、甚至几周的时间间隔内获得的多张图像中进行分析。在年轻的青少年小鼠中，在2周的时间里，大约10%的L5锥体神经元上的刺被消除，而5-8%的刺被形成。这些比率在成年小鼠中变小，显示3-5%的成像棘突被消除或新形成。在特定区域的产后发育期，脊柱动态图像已经从多个皮质区域获得，包括体感、视觉、运动和额叶皮质。已知皮层中的脊柱动态受感觉经验和学习的影响，通过神经元活动对脊柱中分子机制的影响，这种突触连接的重组被认为是电路功能的适应性变化的基础。感觉输入的影响可以通过各种实验操作来研究，如修剪胡须以改变体感输入的程度和拓扑结构，通过眼睑缝合或在黑暗中饲养动物来剥夺视觉，或训练小鼠获得新的运动技能[1]。

 

[1] Nakai N, Takumi T, Nakai J, et al. Common Defects of Spine Dynamics and Circuit Function in Neurodevelopmental Disorders: A Systematic Review of Findings From in Vivo Optical Imaging of Mouse Models[J]. Frontiers in Neuroscience, 2018, 12.

 

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