大脑的学习能力源自“可塑性”，即神经元不断编辑和重塑与其他神经元之间形成的微小连接，即突触，以形成回路。为了研究可塑性，神经科学家试图在整个细胞内以高分辨率追踪它，但可塑性不会等待慢速显微镜跟上速度，而大脑组织以散射光线和使图像模糊而臭名昭著。在《 科学报告》的一篇论文中，麻省理工学院的工程师和神经科学家合作描述了一种新的显微镜系统，该系统旨在快速、清晰、频繁地对活体大脑进行成像。

该系统名为“多线正交扫描时间聚焦”(mosTF)，其工作原理是利用垂直方向的光线扫描脑组织。与其他依赖“双光子显微镜”的活体脑成像系统一样，这种扫描光会“激发”脑细胞的光子发射，这些脑细胞经过设计，在受到刺激时会发出荧光。该团队的测试证明，新系统比逐点扫描的双光子显微镜快八倍，并且比只朝一个方向扫描的双光子系统具有四倍更好的信噪比(衡量最终图像清晰度的标准)。

“在活体大脑中追踪电路结构的快速变化仍然是一项挑战，”共同作者 Elly Nedivi说道，她是皮考尔学习与记忆研究所和麻省理工学院生物学系和脑与认知科学系的 William R. (19) 和 Linda R. Young 神经科学教授。“虽然双光子显微镜是唯一能够高分辨率可视化大脑等散射组织深处突触的方法，但所需的逐点扫描在机械上很慢。mosTF 系统显著缩短了扫描时间，同时不牺牲分辨率。”

扫描样本的整条线本质上比每次扫描一个点要快，但会产生大量散射。加州大学 戴维斯分校的助理教授、该研究的 第一作者薛毅(Yi Xue)表示，为了控制散射，一些示波器系统只是将散射光子作为噪声丢弃，但这样一来，这些光子就丢失了。薛毅曾是通讯作者、麻省理工学院机械工程与生物工程教授Peter TC So实验室的研究生。较新的单线和 mosTF 系统通过算法将散射光子重新分配回其原点，产生更强的信号(从而分辨出受刺激神经元的更小更微弱的特征)。薛毅说，在二维图像中，与一维单向系统相比，使用 mosTF 等二维垂直方向系统产生的信息可以更好地完成该过程。

“我们的激发光是一条线而不是一个点——更像一根灯管而不是一个灯泡——但重建过程只能将光子重新分配给激发线，而不能处理线内的散射，”薛解释说。“因此，对于二维图像，散射校正仅沿一个维度进行。为了校正两个维度的散射，我们需要扫描样本并校正另一个维度的散射，从而形成正交扫描策略。”

在研究中，该团队将他们的系统与逐点显微镜(双光子激光扫描显微镜 - TPLSM)和线扫描时间聚焦显微镜(lineTF)进行了面对面测试。他们通过水和脂质注入溶液对荧光珠进行成像，这种溶液可以更好地模拟生物组织中出现的散射类型。在脂质溶液中，mosTF 产生的图像信号背景比 lineTF 高 36 倍。

为了获得更确凿的证据，薛与 Nedivi 实验室的 Josiah Boivin 合作，使用 mosTF 对活体麻醉小鼠的大脑中的神经元进行成像。即使在这种复杂得多的环境中，血管的脉动和呼吸的运动也会带来额外的干扰，mosTF 示波器仍能实现四倍更好的信号背景比。重要的是，它能够揭示许多突触所在的特征：沿着从神经元细胞体中长出的藤蔓状突起或树突突出的棘突。Nedivi 说，监测可塑性需要能够观察这些棘突在整个细胞中的生长、收缩、出现和消失。

她补充道： “我们 与 So 实验室的持续合作 以及他们在显微镜开发方面的专业知识使得使用传统的、开箱即用的双光子显微镜无法进行的体内研究成为可能。”

所以说他已经在计划进一步改进这项技术。