幾年前，計算機同時記錄一萬個神經(jīng)元活動就會成為新聞。轉(zhuǎn)眼間，現(xiàn)在已經(jīng)有人做到一百萬了。

在科幻小說《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算能力高一萬倍的計算機，這樣人類就可以對人腦進行全景解析了。

雖然還沒有什么面壁者計劃，但現(xiàn)實世界里，掃描大腦的技術(shù)一直在發(fā)展的過程中，其速度也要比摩爾定律來得更快：過去的十年間，人類同時記錄細胞的數(shù)量增加了近一萬倍。而最近來自美國洛克菲勒大學(xué) Vaziri 實驗室的一項研究，再次大幅度增加了計算機實時檢測細胞的數(shù)量，達到了 100 萬個神經(jīng)元。

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

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Vaziri 實驗室展示的大腦鈣成像結(jié)果中，單個神經(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，研究人員實現(xiàn)了以 2Hz 的速度掃描一百萬個活動神經(jīng)元的記錄，這是讓計算機獲知你在想什么的第一步，也是重要一步。

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

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)活動高分辨率成像的標準工具。然而，它的各種實現(xiàn)沒有以原則上的方式克服速度和時空采樣之間固有的權(quán)衡問題。這對于在細胞分辨率和解析鈣（resolving calcium）瞬間兼容的速度下實現(xiàn)神經(jīng)活動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），這是一種可擴展且時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間上不同的焦點幾乎同時記錄了整個軸向的成像范圍，從而實現(xiàn)體積測量以每秒 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)的細胞分辨率記錄。其中包含在大約 5Hz 處 > 200,000 個神經(jīng)元，在約 2Hz 處約 5.4×6×0.5mm^3 范圍內(nèi)的約 100 萬個神經(jīng)元的種群，以及以更高速度（9.6 Hz）的亞細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)哺乳動物大腦皮質(zhì)全層編碼和信息處理基礎(chǔ)的神經(jīng)計算。

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間上不同的焦點（即「beads」），而不是單個焦點（圖 1a）。beads 在單個像素的停留時間內(nèi)記錄了樣品整個深度范圍（約 500 µm）中的信息，因此 LBM 在掃描單個平面所需時間內(nèi)捕獲了整個體積。此外，通過采樣優(yōu)化的空間采樣，LBM 可以將體積 FOV 擴展到介觀尺度，同時保留與 GCaMP 兼容的體積率（volume rate）。這里的 light beads 是通過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，并且可以控制每個光束的相對功率和位置。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，這些條件針對以熒光壽命限制的信息率對密集標記的組織體積的采樣進行優(yōu)化和兼容，使用每體素一個脈沖的 SNR 最大化的激勵，同時利用整個脈沖間時間間隔。

研究人員通過在清醒并表現(xiàn)出轉(zhuǎn)基因表達 GCaMP6s 的小鼠體內(nèi)的新皮質(zhì)中進行體內(nèi)成像來驗證 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)問題。作者重新定位了 FOV，使其在單個皮層半球內(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，研究人員還找到了一些視覺等感官刺激的方法。

這種方式典型的記錄時間范圍大約在 9-30 分鐘之間，覆蓋 159-46 萬個神經(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)元范圍則可以擴展到 100 萬個。如果想要把掃描的速度提升，最高可以達到 9.6Hz。