本文转载自科技大观园，原文为《直击果蝇大脑运作！光学显微技术拍出高速的3D动态影像！》作者/刘新响|科技大观园团队如何通过神经细胞的连接产生进一步的功能，是21世纪科学界想要解决的谜团。图//Pixabay
大脑：人类未竟的疆土
当我看着一望无际的蓝色海洋，听着海浪的声音，感受着微风，愉快地回忆着和朋友在这里旅行的回忆，决定拿起手机，拍下眼前的美景，我是如何感知这个世界，如何储存和提取回忆的？我的情绪、想法、决定和行为是如何发生的？这些精神行为的奥秘隐藏在拥有860亿个神经细胞的大脑中，这是我的关键。
大脑到底是怎么工作的？这些神经细胞如何通过相互联系和相互作用产生进一步的功能？进入21世纪以来，美国、欧盟、日本、中国等国家纷纷设立大规模、长期的脑科学研究项目，试图揭开大脑的奥秘。
中国科技部也启动了“台湾省脑科技发展与国际跨越计划”，整合现有研究精力和专业人员，希望构建从模式动物到部分人脑的脑神经网络结构和功能图谱，推动脑部疾病的精准治疗。
00-1010为了全面分析大脑的结构和信号，解锁单个或一组神经细胞的连接，精密的观察工具是根本，所以台大物理系教授朱世伟致力于发展先进的光学显微镜技术。
朱世伟说，医疗中常用的成像技术，如正电子发射断层扫描(PET)、磁共振成像(MRI)和超声波，可以穿透深层物体，但分辨率不够高，看不到单个细胞。而分辨率极高的电子显微镜穿透深度很小，只能看到表层。光学显微镜正中间，适合研究小动物的大脑。最近，朱世伟的跨学科团队发表了几项全新的显微技术，分别在分析神经信号和结构方面取得了重大突破。
几种成像技术在分辨率和穿透深度上的分布。图/朱世伟提供
光学显微镜：小动物脑研究的利器
首先，研究团队发表了“高速体积成像系统”，这是国际上首次在活体果蝇大脑中获得神经结构的3D高速动态图像，分辨率为毫秒级！
“高速体积成像系统”由双光子显微镜和可调谐声学梯度透镜(TAG)组成。拍摄二维动态图像并不稀奇。神奇的是，研究团队是如何把二维变成三维的？关键在于“可调谐声学梯度透镜”。液体透镜的密度将决定光的折射率，从而进一步影响焦距。研究团队通过压电材料激发液体透镜的共振。当镜头的密度不断变化时，焦点会快速移动，其振荡频率可高达100 kHz1 MHz，即在千分之一秒内即可完成焦点的来回移动。
可调谐声波梯度透镜(TAG)置于物镜前，通过压电材料改变TAG的密度，从而移动焦点位置。图/朱世伟提供快速焦点移动的示意动画。图/朱世伟提供一般的双光子显微镜，只能捕捉水平面(xy轴)上的像素，一次形成二维图像。如果加上一个可调节的声波梯度透镜形成一个“高速体成像系统”，可以同时来回扫描深度(Z轴)，在同一时间内捕捉到各种深度的体三维图像。
同时只能扫描一个水平面，但是通过“可调声梯度透镜”，可以扫描一个体积。图/更改自
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