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新型成像技术!王凯实现高速记录大脑神经元活动和血流动态变化

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iNature前沿2020-08-11 08:50

对神经网络的功能及其如何由动态血管系统支持的详细了解,需要在厚组织中进行快速三维成像。

2020年8月10日,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心王凯团队在Nature Biotechnology 在线发表题为“Imaging volumetric dynamics at high speed in mouse and zebrafish brain with confocal light field microscopy”的研究论文,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。

该研究在自由行为的斑马鱼幼鱼和小鼠大脑上证明了共聚焦光场显微镜有更高的分辨率和灵敏度,这为研究大范围神经网络和血管网络的功能提供了新的工具。同时,该技术不仅适用脑组织的成像,还可以根据所需成像的样品种类灵活调整分辨率、成像范围和速度,应用在其他厚组织的快速动态成像中。

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大脑通过募集具有多种功能的大型细胞团并及时准确地协调它们来执行复杂的功能。更好地了解这些过程需要以生物学上相关的时空分辨率及其原始环境捕获参与细胞动态组织的工具。用于脑部体内成像的传统工具,例如共聚焦显微镜和双光子扫描显微镜,都是基于点扫描方案,对于研究快速的体积动力学而言太慢了。因此,已经引入了许多更快的成像策略,包括新的扫描机制,空间和时间多路复用和利用稀疏性样本。但是,荧光饱和度和动物对激光功率的耐受性仍然限制了可达到的成像通量。光片显微镜和宽视野时间聚焦双光子显微镜可以并行化横向图像采集,并已显示出高分辨率的小动物(如秀丽隐杆线虫和斑马鱼)的高速成像。但是,当深入散射的哺乳动物脑部成像时,要获得最佳性能仍然具有挑战性。

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(eXtended field-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。

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。

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。

进而,团队成员验证了共聚焦光场显微镜对小鼠大脑的成像效果,对清醒小鼠的视皮层进行钙成像,可以同时记录?800 μm x 150 μm的体积内近千个神经元的活动,最深可达约400 μm,并且连续5小时以上稳定记录超过10万帧,没有明显的光漂白。团队成员进一步尝试使用共聚焦光场显微镜对鼠脑中的血细胞进行成像,深度可达600 μm,拍摄速度70 Hz,同时记录上千根血管分支中群体血细胞的流动情况并计算血细胞的速度,相比之前的传统成像方法通量提高了百余倍。

研究团队在自由行为的斑马鱼幼鱼和小鼠大脑上证明了共聚焦光场显微镜有更高的分辨率和灵敏度,这为研究大范围神经网络和血管网络的功能提供了新的工具。同时,该技术不仅适用脑组织的成像,还可以根据所需成像的样品种类灵活调整分辨率、成像范围和速度,应用在其他厚组织的快速动态成像中。

该研究在王凯研究员的指导下,主要由博士研究生张朕坤、白璐和助理研究员丛林共同完成,王凯研究组余鹏、张田蕾、中科大本科生石万卓、杜久林研究组李福宁也做出了重要贡献,杜久林研究员参与合作并给予指导意见。该研究得到了中科院脑智卓越中心实验动物平台的大力支持。研究获得了来自中国科技部、中国科学院、国家自然科学基金委员会和上海市的项目资助。

注:部分解析参考子中科院神经所官网介绍。

参考消息:

https://doi.org/10.1038/s41587-020-0628-7

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