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2020年4月13日，星期一

NIH BRAIN Initiative工具可帮助研究人员观察3D中的神经活动

科学家发现，对混合气味的反应比以前想象的要复杂。

使用SCAPE，研究人员可以实时观察气味感应细胞对复杂气味的反应（变绿）。 Hillman和Firestein实验室

我们研究神经系统内网络的能力受到可同时观察大量细胞的工具的限制。由美国国立卫生研究院（NIH）研发的称为SCAPE显微镜的超快速3D成像技术 通过推进创新技术（BRAIN）计划进行大脑研究允许以不损害活细胞精细网络的方式查看大量组织。

在发表于 科学，研究人员使用SCAPE首次观察了小鼠嗅觉上皮细胞（神经系统的直接感知气味的部分）如何实时对复杂的气味做出反应。他们发现，这些神经细胞在解释气味方面可能起着比以前理解的更大，更复杂的作用。

美国国家神经病学研究所计划主任埃德蒙·塔利（Edmund Talley）博士说：“这很好地展示了BRAIN Initiative技术的力量，以提供有关大脑如何解码信息以产生感觉，思想和行动的新见解。”中风（NINDS），NIH的一部分。

SCAPE显微镜是在Elizabeth M.C. Hillman博士，纽约市哥伦比亚大学祖克曼研究所的生物医学工程与放射学教授兼首席研究员。

希尔曼博士说：“ SCAPE显微镜已经使难以置信的研究成为可能，这些研究需要立即实时地进行大量观察。” “由于细胞和组织可以在三个维度上保持完好无损并以高速可视化，因此我们能够探索许多以前无法研究的新问题。”

嗅觉上皮位于鼻子深处，由成千上万个神经细胞组成，每个神经细胞都包含对特定气味起反应的单个特殊受体。使用单独的简单气味的研究表明，当我们闻到某种气味时，这些神经细胞的特定组合就会被激活，从而形成一个被大脑解释为特定气味的密码。过去，研究人员只能在任何时候对这一区域进行有限的研究，而且他们使用的方法可能会损坏组织，从而难以得出明确的结论。

嗅觉上皮被证明是使用SCAPE进行研究的理想目标，因为负责检测气味的神经细胞有些随机分布。这意味着重要的是要观察尽可能多的细胞以得出有关其活动模式的结论。 

使用SCAPE，进行这项研究的研究人员能够立即测量成千上万的嗅觉神经细胞，因为它们对被描述为“杏仁”，“花香/茉莉花”和“柑橘”的不同气味的组合做出了响应。然而，尽管当他们将组织分别暴露于气味时，他们看到了现有理论所预测的简单模式，但是当将两种或三种气味混合在一起时，它们看到的交互神经细胞反应系统却比预期的复杂得多。

该研究的资深作者，纽约市哥伦比亚大学教授Stuart Firestein博士说：“我们期望对各种气味的反应看起来很像对原始气味的反应总和。” 。 “相反，我们观察到复杂的相互作用，其中第二种气味会增强神经元对第一种气味的反应，或者在其他情况下会抑制神经元的反应。”

这些结果表明，鼻子内部的这些受体相互作用会干扰到达大脑的信号，从而将混合气味的代码更改为与部分总和明显不同的东西。考虑到我们周围几乎所有的气味都是复杂的混合物，这种机制可能解释了我们如何区分各种不同的气味，同时也解释了为什么通常很难挑选混合物的各个成分。

Firestein博士说：“ SCAPE的主要优势在于，因为我们可以一次观看这么大的区域，所以我们可以捕捉到很少发生的重要事件。” “这项技术为我们打开了探索嗅觉领域中许多其他问题的大门。”

Firestein博士还说，他和其他人现在能够进一步研究嗅觉系统如何编码复杂的气味组合，以及大脑最终如何解释这些信号。这项研究的意义还超出了对大脑如何感知气味的当前理解，包括筛选可能影响嗅觉系统中受体类型的候选药物的潜在新方法。

美国聋哑及其他通讯障碍研究所（NIDCD）项目负责人苏珊·沙利文（Susan Sullivan）博士说：“本文对我们理解气味混合物的编码方式具有革命性意义，并突出了气味/受体相互作用的显着复杂性。 ），是NIH的一部分，也是该项目的共同资助者。

此外，一些神经系统疾病（例如阿尔茨海默氏病和帕金森氏病）以及全身性疾病（包括COVID-19）通常会以嗅觉丧失为早期症状。更好地理解引起此症状的变化可能有助于在出现更令人衰弱的影响之前早期发现系统。

因为像这样的研究涉及长期收集超过10,000个单元的信息，所以该团队收集的数据量巨大。该团队不得不开发新的分析方法，甚至建立自己的计算机来处理计算。

希尔曼博士说：“我们正在不断改进和完善SCAPE，而这种跨学科的紧密合作对于指导这些创新，进一步扩展我们可以使用该技术的能力至关重要。”通过直接互动，传播和商业化，建立了尽可能多的实验室。

BRAIN Initiative的目标之一是加速研究神经系统的创新技术的开发和应用。 SCAPE方法的开发和完善部分归功于该计划的资助。

该项目由美国国立卫生研究院（NIH）大脑计划（NS09429，NS108213），美国耳聋和其他交流障碍研究所（NIDCD; DC013553），美国国家癌症研究所（NCI; CA236554），美国国防部弗里门尼奇（Frimenich）合同，西蒙斯（Simons）资助全球大脑基金会，卡夫里脑科学研究所和国家科学基金会之间的基金会合作。 SCAPE显微镜已获得Leica Microsystems的许可。

NINDS 是美国大脑和神经系统研究的主要资助者。 NINDS的任务是寻求有关大脑和神经系统的基础知识，并利用该知识减轻神经系统疾病的负担。

关于国家耳聋和其他沟通障碍研究所（NIDCD）： 的 疾病预防控制中心 支持和进行有关听力，平衡，味道，气味，声音，语音和语言的正常和无序过程的研究和培训，并根据科学发现向公众提供健康信息。

美国国立卫生研究院脑计划® 由10个研究所管理，这些研究所的任务和当前的研究工作与BRAIN计划的目标相辅相成：国家补充与综合健康中心，国家眼科研究所，国家老龄研究所，国家酒精滥用和酒精中毒研究所，国家生物医学影像研究所和生物工程 尤妮丝·肯尼迪·史瑞弗 国立儿童健康与人类发展研究所，国立药物滥用研究所，国立耳聋和其他交流障碍研究所，国立精神卫生研究所以及国立神经系统疾病和中风研究所。

关于国立卫生研究院（NIH）： 美国国立医学研究院（NIH）是美国的医学研究机构，包括27个研究所和中心，并且是美国卫生与公共服务部的一部分。 NIH是进行和支持基础，临床和转化医学研究的主要联邦机构，并且正在调查常见和罕见疾病的病因，治疗方法和治愈方法。有关NIH及其计划的更多信息，请访问 www.nih.gov.

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