神經科學家正在探索神經元微觀世界中以前未知的領域——觀察腦細胞工作，檢測活體大腦中阿爾茨海默病的微觀證據，甚至進行一些讀心術。 20世紀90年代被稱為“大腦的十年”，但21世紀的科學家們正在以更驚人的精確度檢查活體大腦。
為了研究微觀尺度下神經元的功能，研究人員通常使用精細的玻璃電極，但這種方法無法在動物活著時提供細胞的精確位置。研究人員只能透過將細胞注射化學標記物來確定細胞的位置，這種標記物在動物被處死後可以透過顯微鏡看到。
現在，一種稱為單神經元功能成像的新技術使科學家能夠在腦細胞仍在腦內工作時觀察它們。 2005年早些時候，R. Clay Reid及其在哈佛醫學院的同事使用雷射和顯微鏡製作了延時影像，記錄了實驗室貓和老鼠視覺皮層中數百個神經元的同步活動。 該方法在2月10日的《自然》雜誌上進行了描述，應該能夠使神經科學家繪製出具有單細胞精度的腦功能結構圖，例如視覺、運動和學習。
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神經科學家不僅在構建更好的大腦地圖，他們還在朝著讀取人類思維邁進。 日本ATR計算神經科學實驗室的Yukiyasu Kamitani和範德比爾特大學的Frank Tong表明，功能性磁共振成像測量的大腦狀態與主觀心理狀態之間存在緊密的耦合。 科學家在5月份的《自然神經科學》雜誌上撰文描述了他們如何透過解碼視覺皮層中少量神經元群體的活動來預測一個人正在觀看的八種視覺模式中的哪一種。 他們認為，這種讀心術可以擴充套件到研究意識、記憶和其他型別的“精神內容”的神經基礎。
當一切運轉良好時，觀看大腦工作是很好的，但是當疾病來襲時，科學家們希望深入瞭解可能導致問題的原因。 馬薩諸塞州總醫院的神經學家布拉德利·海曼及其同事開發了可以跟蹤阿爾茨海默病活體小鼠模型中微觀神經變化的工具。 科學家們使用多光子顯微鏡和熒光示蹤劑，能夠以微觀精度檢測到澱粉樣斑塊（該疾病的標誌）的存在。 科學家們目前正在探索一種類似的方法，該方法使用正電子發射斷層掃描來診斷和研究人類疾病的進展。
這些新技術使科學家能夠瞥見大腦中發生的事情，但另一項最新進展將幫助他們理解他們所看到的東西。 在4月22日的《物理評論快報》中，卡內基梅隆大學的內森·N·厄本及其同事描述了一種方法，該方法使他們能夠預測神經元群如何同步其活動。 因為同步活動是大腦中編碼和儲存資訊的基礎，所以他們的工作對於理清大腦如何產生我們稱之為思維的非凡事物具有廣泛的意義。