Kính hiển vi mới của MIT có thể 'đọc' hoạt động điện của toàn bộ não trong tích tắc

Các nhà thần kinh học từ lâu đã phải đối mặt với một bài toán khó: hoặc ghi hoạt động điện từ một vài tế bào thần kinh với độ chính xác mili giây bằng điện cực, hoặc chụp ảnh nhiều tế bào thần kinh khắp não dùng chỉ thị canxi phát huỳnh quang — nhưng chỉ đạt được một phần nhỏ tốc độ thực sự của quá trình tính toán thần kinh. Một kính hiển vi mới từ các kỹ sư MIT nay đã lấp đầy khoảng trống đó.

Kính hiển vi quét ánh sáng từ xa (rsLSM) ghi lại hoạt động điện trên toàn bộ não của một sinh vật sống với độ phân giải mili giây . Được mô tả trong một bài báo năm 2026 trên tạp chí Neurophotonics và một bản in trước (preprint), hệ thống đã được chứng minh trên cá ngựa vằn giai đoạn ấu trùng — một mô hình sinh vật trong suốt lý tưởng cho chụp ảnh quang học toàn não .

Tại sao chụp ảnh canxi không theo kịp

Trong hơn một thập kỷ, chụp ảnh canxi là công cụ chủ lực trong chụp ảnh não quang học. Cảm biến di truyền như GCaMP phát hiện dòng ion canxi tràn vào sau khi tế bào thần kinh phát xung. Nhưng canxi là một chỉ thị gián tiếp, không phải tín hiệu điện thực sự .

"Chụp ảnh canxi vi nội soi không đo lường sự phát xung; nó đo lường sự thay đổi huỳnh quang," một bài bình luận năm 2026 lưu ý. Quá trình thời gian của canxi đi vào, đào thải và động học của cảm biến huỳnh quang "chậm hơn nhiều so với động lực học mili giây của điện thế hoạt động" . Kết quả là, chụp ảnh canxi bỏ lỡ một cách có hệ thống thời điểm chính xác của từng xung điện thế riêng lẻ .

Ngược lại, chụp ảnh điện thế (voltage imaging) trực tiếp đo điện thế màng sử dụng chỉ thị điện thế di truyền (GEVI) . Điều này cho phép đọc trực tiếp hoạt động điện — chứ không phải tiếng vọng hóa học chậm trễ — với độ chính xác mili giây cần thiết để theo dõi các điện thế hoạt động .

Cách rsLSM đạt tốc độ cao

Nhóm MIT đã thiết kế rsLSM dựa trên hai cải tiến chính để đạt được phủ sóng toàn não ở tốc độ xấp xỉ 200 Hz (200,8 Hz trong phiên bản luận văn của hệ thống) .

Thứ nhất, kính hiển vi sử dụng tái lấy nét từ xa (remote refocusing) thay vì di chuyển mẫu. Một tấm sáng quét nhanh được chiếu tới các mặt phẳng khác nhau trong khối não mà không cần chuyển động cơ học, cho phép quét thể tích nhanh hơn nhiều .

Thứ hai, hệ thống máy ảnh kép siêu nhanh thu nhận huỳnh quang từ GEVI với tốc độ cần thiết để phân giải từng điện thế hoạt động riêng lẻ . Sự kết hợp này cho phép hệ thống quét toàn bộ thể tích não cá ngựa vằn (~900 × 370 × 200 µm) ở tốc độ mà các kính hiển vi tấm sáng trước đây không thể đạt tới .

Những gì hệ thống tiết lộ ở cá ngựa vằn

Với rsLSM, các nhà nghiên cứu đã đo điện thế của khoảng một phần tư đến một phần ba tổng số tế bào thần kinh phân bố khắp não cá ngựa vằn . Họ quan sát thấy "các tế bào thần kinh phát xung vào những thời điểm khác nhau trong một chuỗi hoạt động nằm ở các vị trí khác nhau trong não," tiết lộ động lực học quần thể ở cấp độ mili giây điều khiển hành vi tự nhiên .

Mức độ chi tiết về thời gian và không gian này — quan sát các điện thế hoạt động lan truyền khắp não trong thời gian thực — trước đây không thể đạt được với chụp ảnh canxi trên bất kỳ mẫu toàn não nào . Công trình này mở ra một cánh cửa mới để hiểu cách các mạch thần kinh phân tán phối hợp các hành vi nhanh như phản ứng thoát thân và bơi lội .

Hướng phát triển tiếp theo của công nghệ

Tác động trước mắt của rsLSM là cho phép các nhà nghiên cứu đặt câu hỏi về cách động lực học thần kinh quần thể ở cấp độ mili giây điều khiển các hành vi tự nhiên — những câu hỏi mà chụp ảnh canxi không thể giải quyết . Các nghiên cứu trong tương lai dự kiến sẽ mở rộng chụp ảnh điện thế sang các mô hình sinh vật lớn hơn, phức tạp hơn và kết hợp kỹ thuật này với các can thiệp quang di truyền (optogenetic perturbations), cho phép các nhà khoa học vừa đọc vừa ghi hoạt động thần kinh với độ chính xác cao .