细胞钙成像能百分百检测到大脑中神经元的活动吗？毕竟大脑中神经元的数量太多！？ 第1页

这个问题其实是神经科学研究的终极理想之一，如果可以百分百真实地记录到全脑神经元的活动，可以说大脑在细胞-行为层面已经毫无秘密了。

但到底能不能行呢？总得来说，现阶段还不太行，但也不是绝对不行，因为得看是谁的大脑了。

常用模式生物里，线虫（如果算它有脑子的话）、果蝇和斑马鱼幼苗有希望，耗子以上不太行，人类基本没戏。

主要是两个原因：（1）颅骨挡着；（2）脑子不透明；

所以为什么说前几种动物可行嘞，因为它们要么脑子是透明的（或者因不够厚所以呈半透明)，要么颅骨是透明的（或者没有颅骨）。

具体可看下面的视频，首先是我最最喜欢的斑马鱼幼苗的全脑双光子钙成像视频（我已经在知乎其他回答里放过两次了...），来自2013年的nature method^[1]，当年真的震撼到了我，太漂亮了（但是下面橘黄色的亮光是经过去噪处理后加的伪彩，不是真的记录的时候就这么好看）。

下面看线虫，视频来自2016年的PNAS^[2]。

最后是果蝇的，来自2019年的Plos Biology^[3]，这个没加伪彩，而且脑袋也不完全透明，看起来会有点糊。

OK，那在耗子上是什么情况呢？如之前所说的三个困难，耗子颅骨不是透明的，脑子也不是透明的，而且神经元的数量级也太大了。

目前来说，论采集效率应该是头部固定式多光子（主要是双光子）钙成像最高，直接颅骨开个天窗就照双光子，虽然没做过，但看皮层的话我觉得能看个几百到上千的细胞，但也只能看浅层脑区，深层核团基本上看不到。

更常用的是植入透镜式的Miniscope微型显微镜成像，要埋个透镜到脑子里，只能记到焦平面以下的那一块区域的神经元（但其实如果成功的话，采集效率还是挺高的）。

但无论哪一种，都远远做不到百分百检测。

人类就更不用说了，因为伦理问题，连表达钙离子荧光探针的资格都没有。

利用改进多光子成像的技术增加成像深度是一个方向，目前已经可以用三光子看“穿”果蝇的脑子，但短时间内恐怕没有办法突破小鼠脑的厚度。

所以说，要达到百分百检测，必须想想别的办法，绕过颅骨和脑透光性两大难题，或许更有可能尽可能接近全脑成像。

一个有潜力的办法就是把颅骨换成透明的，不需要换全部的颅骨，只需要把上半截换掉就行，如19年这篇nature commnication所述的这个名为See-shell的技术^[4]。

但即使是这样，也只是能看见更大的皮层区域，依然看不到皮层以下。

所以可以看出，要实现100%记录，光是颅骨透明还不行，必须让脑子也变得透明才行！

那现在的技术可以让脑子也变透明吗？可以的，但是死的时候，可以用CLARITY技术让脑子变透明，但就只能看结构了，看不了神经元活动。

所以，要实现100%记录，这条路暂时是走不通的（其实已经很了不起了）。

一个更有可能实现目标的方向是改变检测方式，从上面可以看出，可视的荧光信号检测还是有局限的，而已知的绕过颅骨的方式还有很多，比如放射性信号（PET）、磁信号(MEG or fMRI)或者近红外信号（fNRI），但这些方式的时间分辨率or空间分辨率都远远比不上目前常用的钙离子探针或电压成像探针，基本上都无法提供细胞级的数据。

尽管如此，还是可以展望新方法的出现，比如或许可以通过改进上述三种信号的检测方式，比如通过转基因技术，让全脑的钙调蛋白能够特异性地结合外源性的小分子量的放射性同位素，再通过类似PET的方式检测其活动和空间位置。

上面是我瞎说的，毕竟我只是个键盘科学家...

参考

1. ^ Ahrens, M. B., Orger, M. B., Robson, D. N., Li, J. M., & Keller, P. J. (2013). Whole-brain functional imaging at cellular resolution using light-sheet microscopy. Nature methods, 10(5), 413-420.
2. ^ Nguyen, J. P., Shipley, F. B., Linder, A. N., Plummer, G. S., Liu, M., Setru, S. U., ... & Leifer, A. M. (2016). Whole-brain calcium imaging with cellular resolution in freely behaving Caenorhabditis elegans. Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(8), E1074-E1081.
3. ^ Aimon, S., Katsuki, T., Jia, T., Grosenick, L., Broxton, M., Deisseroth, K., ... & Greenspan, R. J. (2019). Fast near-whole–brain imaging in adult Drosophila during responses to stimuli and behavior. PLoS biology, 17(2), e2006732.
4. ^ Ghanbari, L., Carter, R.E., Rynes, M.L. et al. Cortex-wide neural interfacing via transparent polymer skulls. Nat Commun 10, 1500 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-09488-0