美国科学家开发出一种新型高分辨率自适应光片显微成像系统，能够以前所未有的速度和细节，实时捕捉活体生物全脑范围内的三维癫痫发作动态。这项突破性技术克服了传统成像方法难以追踪快速、复杂脑部事件的挑战，为深入理解癫痫机制和开发潜在疗法奠定了基础。
癫痫发作可在数秒内迅速扩散至整个大脑，使得对其详细过程的捕捉极为困难。为了解决这一难题，佐治亚大学的研究团队在Peter Kner教授的带领下，成功开发出一种新型光片成像系统，其速度足以在三维空间中实时成像斑马鱼幼体脑部的癫痫传播过程。
Kner教授指出：“我们开发的光片显微镜能够实现快速的体积成像，并实时校正成像过程中产生的像差——即显微镜成像时的缺陷。此前对斑马鱼癫痫事件的大多数成像都局限于二维，而我们的系统首次实现了在更大体积范围内的三维高分辨率成像。”
这项研究成果发表在Optica Publishing Group旗下的《生物医学光学快报》（Biomedical Optics Express）期刊上。研究人员展示，他们的新型显微系统能够以每秒4个体积的速度，捕捉高达499 × 499 × 150 微米3的体积，并保持接近衍射极限的分辨率。他们利用该系统成功观察了癫痫如何在神经科学研究中常用的斑马鱼幼体神经系统中传播。
Kner教授表示：“我们这种快速体积成像技术所提供的详细成像信息，有望为癫痫形成和传播的机制提供新的见解，从而指导更有效疗法的开发。更广泛地说，这种方法可以增进我们对大脑运作方式的理解，为各种脑部疾病和障碍的治疗提供信息。”
更快的3D成像与实时像差校正
这项新工作的最初目标是理解癫痫如何在大脑中传播，以及gad1b基因如何影响这一过程。gad1b基因在控制神经递质GABA的合成中发挥关键作用，而GABA对于大脑发育和信号传导至关重要。在利用二维光片显微镜捕捉正常斑马鱼和缺乏gad1b基因的斑马鱼的癫痫活动后，研究人员希望以三维方式可视化这些事件在大脑中的展开过程。
光片显微镜通过从侧面用薄薄的光片照亮样品，与宽场显微镜相比，显著减少了离焦背景光。与共聚焦显微镜等同样阻挡离焦光的技术相比，光片显微镜的速度更快，光毒性也更低。在之前的研究中，该团队构建了一个具有大视野和无传感器自适应光学系统的光片显微镜，该方法直接从图像质量测量中计算光学校正。然而，该系统获取单个原始体积需要大约1.75秒，这对于捕捉快速变化的脑部活动而言速度不足。
为了创建更快的成像系统，研究人员采用了电可调谐透镜（electrically tunable lens）来快速移动焦平面穿过样品。虽然这大大加快了图像采集速度，但研究人员还必须开发一种方法，将毫秒级自适应光学更新与显微镜的相机和扫描组件同步。这些改进共同使得在不牺牲图像质量的前提下，实现连续高速体积成像成为可能。
实时观察大脑中的癫痫传播
研究人员利用他们的新型光片显微镜对斑马鱼幼体中诱发的癫痫传播进行了成像。该系统在2.5分钟内连续采集了600个体积，其速度比之前的系统快了七倍。
斑马鱼的成像结果显示，癫痫发作起源于大脑的后部区域，随后向前传播至参与视觉信息处理的视顶盖（optic tectum），并在数十秒内逐渐消退。这一详细的传播路径为理解癫痫的起始和扩散机制提供了宝贵数据。
接下来，研究团队计划利用该系统对更多样品进行成像，包括缺乏gad1b基因的斑马鱼，以深入探究GABA合成缺陷如何影响癫痫易感性。他们还在开发一种直接波前传感方法，以校正斑马鱼样品本身（而不仅仅是光学系统）引起的像差，进一步提升成像精度。
这项技术的问世，不仅为癫痫研究带来了革命性的工具，也为神经科学领域其他涉及快速动态过程的活体成像研究开辟了新的可能性。