MIT 工程師研發 rsLSM 顯微鏡：毫秒級記錄全腦神經電活動

神經科學家長久以來面臨一個根本取捨：他們可以用電極以毫秒級精度記錄少數神經元的電活動，也可以利用螢光鈣離子指示劑對全腦大量神經元進行成像——但那僅能捕捉到真正神經計算速度的一小部分。MIT 工程師研發的新型顯微鏡，如今填補了這個缺口。

這套遠端掃描光片顯微鏡 (remote scanning light-sheet microscope, rsLSM) 能夠在活體生物的全腦範圍內，以毫秒級時間解析度記錄電活動 。根據發表於 2026 年《Neurophotonics》期刊的論文及相關預印本，該系統已在斑馬魚幼蟲（一種透明、適合全腦光學成像的模式生物）上完成了驗證 。

為什麼鈣離子成像跟不上？

過去十多年，鈣離子成像一直是光學腦成像的主要工具。基因編碼感測器（如 GCaMP）能偵測神經元放電後進入細胞的鈣離子流。但鈣離子是一個間接標記，而非電訊號本身 。

一篇 2026 年的評論指出：「微內視鏡鈣離子成像測量的是螢光變化，而非放電本身。」鈣離子的進入、清除以及螢光感測器動力學的時間尺度「遠比動作電位的毫秒動態慢得多」。因此，鈣離子成像系統性地遺漏了單一神經脈衝的精確時序 。

相比之下，電壓成像使用基因編碼電壓指示劑 (GEVIs) 直接測量膜電位 。它提供的是電活動本身（而非延遲的化學回音）的直接光學讀數，並具備追蹤動作電位所需的毫秒級精準度 。

rsLSM 如何達到高速

MIT 團隊圍繞兩項關鍵創新設計了 rsLSM，以約 200 Hz 的速度實現全腦覆蓋（系統論文版本為 200.8 Hz）。

首先，顯微鏡採用 遠端重新對焦 (remote refocusing)，而非移動樣本。一道快速掃描的光片被傳遞到腦部體積內的不同平面，無需機械運動即可實現更快的體積掃描 。

其次，超高速雙相機系統以解析個別動作電位所需的速度，捕捉來自 GEVIs 的螢光 。兩者結合，使該系統能以過去光片顯微鏡無法達到的速率，掃描斑馬魚幼蟲全腦約 900 × 370 × 200 微米的體積 。

系統在斑馬魚幼蟲中揭示了什麼？

利用 rsLSM，研究人員測量了分布在斑馬魚幼蟲全腦中約四分之一到三分之一神經元的電壓 。他們觀察到「序列中不同時間放電的神經元，位於大腦的不同位置」，這揭示了驅動自然行為的毫秒級群體動態 。

這種程度的時空細節——即時觀察動作電位在腦中的傳播——在過去任何全腦製備中使用鈣離子成像都無法達成 。這項工作為了解分散式電路如何協調逃跑反應和游泳等快速行為，打開了一扇新的窗戶 。

技術的下一步

rsLSM 的即時影響在於，它讓研究人員能夠探討毫秒級群體神經動態如何驅動自然行為——這是鈣離子成像根本無法處理的問題 。未來的工作預計將電壓成像擴展到更大、更複雜的模式生物，並與光遺傳學擾動技術結合，使科學家能夠以高精度同時「讀取」和「寫入」神經活動 。