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哥伦比亚大学研发出提高双光子显微镜成像通量

来源:http://www.soniaLorenzana.com 作者:493333王中王开奖结果 时间:2020-04-11 21:41

法国同步三维成像技术让观察大脑无需扫描

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据美国物理学家组织网近日报道,最近,法国巴黎笛卡尔大学科学家结合数字单光子全息刺激和远程聚焦荧光功能成像两项技术,开发出一种能在光激发脑部神经元的条件下,同步观察其解剖结构和生理功能的三维成像技术,而且分辨率和准确性更高。

哺乳动物的大脑由多达几百亿神经元组成。神经元的功能并非相互独立,多数脑功能由神经元集群实现;多个神经元共同编码可以实现的功能大于仅仅简单相加单个神经元功能。为了研究神经元集群的功能,我们需要同时观测一群神经元的活动。传统双光子成像技术可以在单细胞层面记录神经元群体的活动,此技术通过激光对样品进行扫描,逐点收集样品的荧光信号。它虽然具有比较高的信噪比,而且可以对深层的组织进行成像,但它的成像通量比较低,一般无法对多个二维平面进行成像。

观察大脑在三维空间处理感觉及概念信号分两步走:一是拍摄神经结构,二是刺激并记录神经信号。研究人员解释说,以往的观察手段是通过扫描或平行刺激拍摄三维图像或记录三维光刺激,都没有和光学观察手段结合,这就限制了人们对微小神经区域的研究。

2019年5月14日,美国哥伦比亚大学韩舒婷教授、杨暐健教授在Cell Reports上发表文章Two-Color Volumetric Imaging of Neural Activity of Cortical Columns,提出了一个提高双光子显微镜成像通量的新技术。

将数字全息与远程聚焦两项技术相结合可实现独立的光激活与成像。数字全息让人们能在三维空间同时设定更多激发点,在此过程中,用于激活的激光和显微镜结合在一起穿过主目标;而远程聚焦使用了和主仪器对称的另一台显微镜,在较远位置重新生成目标图像。

研究人员通过用不同激光波长并行化激光扫描,增加了相同时间内可以成像的体积,并同时保持较高的时间和空间分辨率。通过引入两种波长不同的钙信号荧光探针,研究人员将神经元群体的活动标记为两个不同颜色,并同时用两个不同波长的激光激发探针,实现了两个颜色的并行化数据记录。为了实现三维空间成像,研究人员还分别在两个激光光路上配置了快速变焦系统,分别为电可调节透镜和空间光调制器。由此,可以同时以10赫兹的速度记录500微米500微米的10个平面,覆盖纵深达600微米,涵盖了从脑皮层第2层到第5层的结构,体积内记录到的神经元可以达到2000个以上。

“由于成像平面是根据第二台显微镜的操作来选择,光激活就变成了完全独立的过程。”领导该研究的瓦伦蒂娜:埃米利安妮解释说,“尤其在用蓝色灯光产生一致照明的情况下,照亮样本并激发荧光,当光反射回摄像机时,远处显微镜就会生成一幅完美的荧光样本图像,研究人员可以通过移动镜面选择最后的成像平面。”

研究人员利用此技术研究清醒小鼠初级视觉皮层内的神经元群体的共同编码性质,以及神经元集群的结构和功能特性,还可以同时记录不同神经元群体的活动,例如小鼠视皮层第1层树突活动和第2/3层细胞体活动,以及从其他脑区例如前额叶皮层投射到视皮层的轴突活动和视皮层第2/3层细胞体在同一个三维体积里的活动。这也为研究两个神经元群体或者两个脑区间的相互作用提供了一种新的方法。

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