“中科院神经所脑科学与智能技术卓越创新中心”微信公号|抓拍脑细胞工作照：显微镜高速记录大脑神经元活动和血流变化
：原题为_“中科院神经所脑科学与智能技术卓越创新中心”微信公号|抓拍脑细胞工作照：显微镜高速记录大脑神经元活动和血流变化。
2020年8月10日 ， 《Nature Biotechnology》杂志在线发表了题为《共聚焦光场显微镜对小鼠和斑马鱼大脑快速体成像》的研究论文 ， 该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室王凯研究组完成 。 该研究发展了一种新型体成像技术：共聚焦光场显微镜(Confocal light field microscopy) ， 可以对活体动物深部脑组织中神经和血管网络进行快速大范围体成像 。
文章图片
跨脑区大规模的神经元如何整合信息并影响行为是神经科学中的核心问题 ， 解答这个问题需要在更高时空分辨率上捕捉大量神经元活动动态变化的工具 。 共聚焦显微镜和双光子显微镜等运用于活体脑成像的传统工具基于点扫描 ， 时间分辨率较低 ， 难以研究大范围脑区中神经元的快速变化 。 因此 ， 近年来人们一直致力于开发更快的成像方法 。 在多种新技术中 ， 光场显微镜尤其具有潜力 ， 得到了广泛关注 。 其特点在于可以在相机的单次曝光瞬间 ， 记录来自物体不同深度的信号 ， 通过反卷积算法重构出整个三维体 ， 实现快速体成像 ， 在线虫、斑马鱼幼鱼等小型模式动物上已获得初步应用 。
传统光场显微镜存在两个难以解决的问题 ， 限制了其在生物成像上的广泛应用 。 首先 ， 重构的结果会出现失真 。 2017年王凯研究组研发的新型扩增视场光场显微镜（eXtendedfield-of-view Light Field Microscopy, XLFM）有效解决了这个问题 ， 并成功应用于自由行为斑马鱼幼鱼的全脑神经元功能成像上 ， 首次三维记录了斑马鱼幼鱼在完整捕食行为中的全脑神经元活动的变化 。 其次 ， 现有光场显微成像技术缺乏光学切片能力 ， 无法对较厚组织 ， 比如小鼠的大脑进行成像 。 让光场显微镜具有共聚焦显微镜一样的光学切片能力 ， 滤除大样品中焦层之外的背景信号来提高信噪比 ， 是提高成像质量、可广泛应用的关键所在 。
文章图片
然而 ， 传统共聚焦显微镜采用激光逐点扫描和共轭点针孔检测来降低焦面外噪声的策略不适用于三维光场显微镜 。 面对这一挑战 ， 研究团队创新提出广义共聚焦检测的概念 ， 使其可以与光场显微镜的三维成像策略结合 ， 在不牺牲体成像速度的前提下有效滤除背景噪声 ， 大幅度提高了灵敏度和分辨率 。 这种新型的光场显微成像技术称为共聚焦光场显微镜 。
文章图片
图 1（上）共聚焦光场显微镜原理示意图 。 （下）不同于传统光场显微镜 ， 共聚焦光场显微镜采用片状照明 ， 选择性激发样本的一部分 ， 在垂直照明的方向上扫描 ， 采集到的信号被遮挡板过滤掉焦层范围之外的部分 。 对采集到的图像进行重构可以得到焦层内的三维信息 。
研究团队在不同动物样品上测试了共聚焦光场显微镜的成像能力 。 首先 ， 团队成员对包埋的活体斑马鱼幼鱼进行全脑钙成像 ， 对比共聚焦和传统光场显微镜的成像结果 ， 发现加入光学切片能力后 ， 图像分辨率和信号噪声比显著提高 ， 可以检测到更多较弱的钙活动 。 进一步的 ， 将共聚焦光场显微镜和高速三维追踪系统结合 ， 对自由行为的斑马鱼幼鱼进行全脑钙成像 ， 在? 800 μm x 200 μm的体积内达到了2 x 2 x 2.5 μm3的空间分辨率和6Hz的时间分辨率 。 受益于更高的分辨率和灵敏度 ， 可以识别出斑马鱼幼鱼在捕食草履虫过程中单个神经元的钙离子活动的变化 。
文章图片
推荐阅读
- 光威|看看光威，这才是中国芯，北大、中科院都差远了，国外巨头都慌！
- 少年帮|纯国产“龙芯”即将来临，正式确认？中科院宣布决定
- 少年帮|正式确认？中科院宣布决定，纯国产“龙芯”即将来临
- 杭州交通918|高速行驶车辆撞到“幽灵”车，还惊动中科院？真相竟是…
- 文汇报|7厘米脑部胶质母细胞瘤完全消失，上海十院神经外科高亮团队再创生命“奇迹”
- 环球时报|俄神经外科专家：忘记坏事，人类生存本能
- 中科院之声|新发现告诉你：如何睡得更“香”
- 阿波罗|中科院院士：阿波罗载人登月是一场惊世骗局的论调可以休矣
- 树袋熊|中国科学家发布亿级神经元类脑计算机
- 空心|打响芯片突围战！中科院出手，全面去除西方技术