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重大突破!新技术可以同时记录100万神经元活动

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脑科学世界 2021-03-04 10:05

双光子技术和基因编码的钙指示剂已经成为测量大脑中神经活动高分辨率成像的常规工具。

越来越多的证据表明,大脑复杂的功能是基于其高度平行计算的能力,想要理解感觉输入和行为学输出的神经联系可能需要全脑尺度的神经集群活动分析。人脑中的神经元总数约为1000亿个,能同时记录尽可能多的神经元活动无疑会大大推进神经元网络的解析工作。

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最近,美国洛克菲勒大学的Vaziri实验室发展了光珠显微镜(Light Beads Microscopy,LBM)技术,大幅度增加了可以实时成像的细胞数量。LBM可以实现每秒 1.41×10^8体素速度的体积记录,同时记录高达100万个神经元。研究结果上传到预印本网站:bioRxiv

Vaziri实验室使用 LBM,对小鼠皮层进行了多个尺度的介观和体积成像。其中包含在大约5Hz 处> 200,000个神经元,在约2Hz 处的约100 万个神经元,它还可以实现更高速度(9.6 Hz)的亚细胞分辨率的体积记录。

背景和原理

在有限的共振扫描速度制约下,高激光器重复频率会导致不可避免的过度采样以及每像素多脉冲可以在低脉冲能量下的信噪比(SNR),而每像素单脉冲可以使递送到大脑的单位功率产生的信噪比最大化,以应用程序规定的最小横向密度进行采样可释放时间资源。

这些方法的问题在于其适合稀疏标记的样本,而非大型神经网络成像。通过扫描在时间上延迟并指向样品单独区域的单个激光脉冲的N个副本,可以使用时间多路复用来提高信息吞吐量。这种方法的限制在于数据速率增加了N倍,超出了扫描系统的惯性极限。

Vaziri 实验室试图通过LBM解决这些问题。LBM是一种可扩展且时空最佳的采集方法,并且仅受荧光寿命的限制。它可以同时适应介观成像和双光子。

在LBM中,显微镜扫描一组轴向分离且时间上不同的焦点(即“beads”),而不是单个焦点。beads 在单个像素的保留时间记录了样品整个深度范围中的信息,因此 LBM在扫描单个平面所需时间内捕获了整个体积。此外,通过采样优化的空间采样,LBM 可以将体积 FOV 扩展到介观尺度,同时保留与GCaMP兼容的体积率。

这里的 light beads是通过一种基于腔的多路复用方法形成的,该方法称为多轴向多路复用模块(Many-fold Axial Multiplexing Module,MAxiMuM)。

该模块能够生成必要的多路复用光束列。激光聚焦在MAxiMuM腔体的入口处,并通过一系列凹面镜进行重新成像。再成像镜的标称焦点与腔体的输入之间存在偏移Δz,当光束返回到入口时,焦点会轴向偏移。由于焦点偏移,每个离开腔体的光束聚焦到样品中较浅的深度,光功率相对降低。

MAxiMuM可以将N缩小到由GCaMP荧光寿命和激光器重复频率限制的极限,并控制每个光束的相对功率和位置。因此它可以提供了30倍的轴向多路复用和141 MHz的体素采集速率,以及16μm的平面-平面轴向间隔。

Light bead microscopy schematics

应用展示

Vaziri 实验室在中视镜上实现了LBM的设计,并在亚细胞分辨率上记录约6×6 mm2的侧向视场(FOV),并以约为5 Hz速度扫描了 GCaMP6s标记小鼠的新皮层中3×5×0.5 mm3大小的区域。

Volumetric recording of 807,748 neurons within ∼5.4 × 6 × 0.5 mm3 volume at 2.2 Hz in a GCaMP6s-expressing mouse

同时,LBM保持了在横向体素采样,FOV和成像速度之间进行权衡的能力,以适应不同的需求。Vaziri 实验室记录了各种配置从中等大小的FOV(600×600×500μm3)(具有解析亚细胞特征的体素分辨率),到大的FOV(5.4×6×0.5 mm3)(涵盖了小鼠皮层的两个半球,并捕获了超过800,000神经元的神经元集群动态),证明了LBM的多功能性。

Multi-scale functional imaging with light beads microscopy

通过这些LBM成像实验,研究人员还发现,神经元的相关活动具有远大于1 mm的特征长度,进一步强调了介观尺度上分析神经元活动的意义。

本文为预印本文献,还未正式发表,欢迎大家积极留言讨论。

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