本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
這是一個星期六，你正在度假，從比克斯比大橋的蜿蜒懸崖上眺望著美麗的藍色太平洋。你呼吸著涼爽、新鮮的鹹空氣。滔天巨浪的轟鳴聲攪動著你大腦中的神經網路，突然你發現自己想知道在泡沫翻騰的海面下隱藏著什麼。海豹在海藻叢中嬉戲？鯊魚在四處覓食？還是尚未被發現的生物？
探索肉眼看不到的東西，激發了人類數千年的創造力。近幾十年來，技術為我們提供了獨特的工具，激發了我們的祖先甚至無法想象的問題。
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以大腦為例。僅僅在 200 年前，我們還不知道它是由神經元組成的。沒有這種知識，就不可能意識到這些細胞透過突觸連線形成網路，並透過電訊號和化學訊號進行交流。神經學說（正如人們所稱）引發了大量的發現。其中之一是可塑性，即神經元隨時間改變其連線的能力。幾十年前，人們普遍認為可塑性只存在於發育中的大腦中，而不是在成年人中。但神經科技的進步使我們能夠看到表面之下，並深入到活體大腦內部，從而打破了這一觀念。研究人員現在意識到，成年大腦對經驗具有高度適應性，並且會隨著時間的推移定期生長新的突觸。
促進我們追蹤這些變化的一個重要工具是多光子顯微鏡。它的工作原理是將紅外輻射照射到組織中，在那裡它被基因新增到細胞中的熒光蛋白吸收。感測器會拾取發出的熒光，並繪製出熒光細胞的位置。透過將輻射引導到不同深度的焦點，科學家可以繪製 3D 結構。在幾天和幾周內重複這項技術，可以識別和監測活體大腦中的佈線重塑動態。
觀察細微的神經元重接揭示了大腦中以前未知的突觸運動性。神經元不是靜止的；皮質中的脊狀突起在動物的一生中不斷生長和消退。我們可以使用這項技術來檢測各種各樣的大腦動態，例如 阿爾茨海默病中突觸生長如何變化，或者 可卡因的使用如何影響大腦血管。其他研究人員最近使用雙光子顯微鏡發現，腦細胞在睡眠期間會縮小 60%，並且會被腦脊液沖洗，以清除白天產生的有毒代謝副產物。
我們無法真正理解我們無法測量的東西。由於我們能夠繪製活體中的這些連線，科學家們開始看到外部體驗如何透過神經分支的變化來反映。這僅僅是冰山一角。將多光子顯微鏡與其他神經技術（如光遺傳學和電子顯微鏡）相結合，有望揭示大腦中更具進取精神的神經網路的更多細節。拉爾夫·瓦爾多·愛默生在寫道“你身後的和眼前的都無法與你內心所蘊含的相比”時，可能是一位正在觀察的神經科學家。
請在下週關注我們，屆時我們將探討高密度電生理學如何讓研究人員追蹤數百個細胞的放電，以瞭解協調的細胞活動如何導致行為和環境意識。
編者注：這是關於新興神經技術系列的第二篇。加入麻省理工學院 12 名博士生的試點班，我們將探索神經科學如何徹底改變我們對大腦的理解。每篇文章都與麻省理工學院神經生物工程中心建立的講座和實驗室參觀相呼應。這項實驗由MITx支援，並由EyeWire建立。