NatureMethods公布2018年度技術

　　歲末，Nature Methods年度技術出爐——無限制行為動物成像（Imaging in freely behaving animals）。

　　入選理由為：成像技術和熒光傳感器的技術進步幫助科學家們更加詳細分析動物各種行為背后的神經元活動，這些動物包括大鼠，小鼠，魚，果蠅和線蟲。

　　一般來說，受限制動物有利于實驗人員對其受試動物的感覺環境進行精確控制，例如研究視覺引導或嗅覺引導的行為。然而，受限制動物對于研究更復雜的行為，特別是社會行為方面就會有局限性。近年來的技術發展實現了在自由行為的動物中對神經元活動成像，這能幫助科學家研究細胞，神經環路和全腦水平下的自然行為的神經元基礎機制，因此被選為2018年度技術。

　　人腦包含了百億級神經元和百萬億級的神經突觸，其結構和功能上極其復雜精密的連接，涌現出意識和思想。目前各國腦科學計劃的一個核心方向就是打造用于解析腦連接圖譜和功能動態圖譜的研究工具。其中，如何整合微觀神經元和神經突觸活動與大腦整體的活動和個體行為信息是亟待解決的關鍵挑戰。

　　近20年來，微型顯微鏡成為了觀察小鼠和大鼠自由地進行自然行為的重要工具。雖然第一個微型顯微鏡相當重，只能用于大鼠，但通過后來進一步小型化，現在可以應用于小鼠，也不會對動物行為造成什么過度的不良影響。

　　近年來的發展更是進一步擴展了配合自由行為嚙齒動物一起使用的成像模式。此外現在還有雙光子或容積成像功能的微型顯微鏡。

　　微型顯微鏡現在被越來越多的實驗室用于研究各種行為，如空間導航，睡眠和社交互動，甚至在絨猴（marmosets）中也被使用到。而且這些顯微鏡還可以幫助在動物模型中觀察神經病理學狀況的異常腦活動。Nature Methods的一篇文章也介紹了研究人員如何使用微型顯微鏡監測大腦活動，證明該技術已經被用于系統神經科學。

　　雖然通過微型顯微鏡對神經元活動成像可以研究社交或掠奪性行為，但這種技術還是可以為傳統上在受限動物中研究的行為提供更多的機制見解。例如，微型顯微鏡技術避免了由rigid head restraint導致的混淆。

　　另外，盡管微型顯微鏡對許多嚙齒動物的行為研究已經取得了不少寶貴的成果，但是這種技術并不能用于小型動物（如魚類，果蠅和現場）的行為研究。近年來已經開發了一些跟蹤顯微鏡，根據實施方式，它們可以用細胞分辨率對目標動物的整個神經系統進行程序。Nature Methods的一篇文章也探討了這一問題。

　　最后，Nature Methods也指出雖然他們選擇將無限制行為動物成像作為2018年度技術，但是更重要的是，行為研究不僅限于神經元活動的成像。此類研究還需要行為檢測，從而將行為和神經元活動關聯起來，進而可以操縱神經元活動，確定神經元環路中的因果關系。

　　研究人員通常通過捕捉動物行為的視頻來監控行為。Nature Methods描述了一種名為LEAP的計算工具，可以通過跟蹤果蠅和小鼠的身體部位進行詳細的行為研究。研究人員應用LEAP來確定動物的姿勢和步態。此外還有研究研發了配合線蟲使用的一種壓縮感知方法，識別控制運動速度的神經元。這種方法通過抑制重疊神經元組中的神經元活動，通過行為數據，可以確定了用于控制速度的關鍵神經元。

　　另一方面，近年來在實現頭部固定，或其它受限制動物的神經環路和行為的機械理解方面也取得了很大進展。現在的挑戰將是設計和改進計算方法，從而能有效分析正在生成的大型數據集。但是，利用在無限制動物中對大腦活動進行成像的工具，以及將這些工具與復雜的行為分析和神經元操作相結合，未來幾年內也許能在更復雜的行為研究中取得令人興奮的進展。