矩阵成像-同时观察大脑多个区域的神经元活动

时间:2019-12-27 18:48 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

矩阵成像-同时观察大脑多个区域的神经元活动

双光子激光扫描显微镜成像是研究哺乳动物大脑细胞和亚细胞分辨率神经元活动的常用方法。这样的研究还局限于大脑的单一功能区域。在最近的一份报告中,来自中国、德国和英国的大脑研究仪器创新中心、神经科学研究所、系统神经科学和光学系统先进制造技术中心的杨孟克和同事们开发了一种名为“多区域双光子实时体外探索者”(MATRIEX)的新技术。方法允许用户针对多个区域的脑功能的视野(FOV)近似直径200μm执行双光子Ca2 与单细胞成像分辨率同时在所有地区。

Yang等人对小鼠麻醉和清醒状态下初级视觉皮层、初级运动皮层和海马CA1区单神经元活动进行了实时功能成像。MATRIEX技术可以独特地配置多个微观fov使用单一激光扫描设备。因此,该技术可以在现有的传统单束扫描双光子显微镜上作为附加光学模块实现,而无需进行额外的修改。该基质可用于探索多区域神经元在体内的活动,以实现具有单细胞分辨率的全脑神经回路功能。

双光子激光显微术起源于20世纪90年代,在对研究体内神经结构和功能感兴趣的神经科学家中流行起来。活体大脑的双光子和三光子成像的一个主要优点是通过密集的标记性脑组织实现的光学分辨率,这些脑组织具有强烈的散射光,在此过程中,光学分割的图像像素可以被扫描和获得,而相互之间的干扰最小。但是,这些优点也造成了该方法的重大缺陷,因为它阻止了在特定距离内同时查看两个对象。研究人员之前已经实施了许多策略来扩展限制,但是这些方法很难在神经科学研究实验室中实施。尽管如此,在神经科学领域,人们对在活体中利用单细胞分辨率研究大脑范围内的神经元功能的要求越来越高。

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一个简单的方法是,科学家们可以在同一动物大脑上方放置两个显微镜,同时对大脑皮层和小脑进行成像。但这些努力可能导致复杂性和成本的大幅增加。因此,现有的对性能和可行性的高期望提出了一个极具挑战性的工程问题,即单个成像系统如何能够在体内同时获得来自多个大脑区域的活体显微图像。为了解决这个问题,Yang等人引入了一种结合两级放大和多轴光学耦合的新方法。

他们利用一个低放大率的干法物镜(DO)实现了该方法,干法物镜下有多个浸没在水中的微型化物镜(MOs)。科学家们将每个金属氧化物半导体放置在大脑组织所需的目标位置和深度。该团队使用新的复合物体组装,类似于原来的水浸显微镜物镜,没有对图像扫描和采集子系统进行额外的修改。

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研究小组首先组装了MATRIEX复合目标。为此,他们用定制的复合物镜组件取代了传统的水浸式显微镜物镜,在双光子激光扫描显微镜内部配备了传统的单光束光栅扫描装置。这个复合组件包含多个MOs(微缩目标),通过多次开颅手术插入,在此过程中,科学家们将一个3d打印的塑料腔黏在老鼠模型的头骨上。腔室大致使金属氧化物半导体与相同的空间对齐,以调整横向位置和深度。Yang等人对各个MOs进行精确操作,使其在同一图像平面上同时查看所有MOs下的对象。

他们利用两个原则实现了矩阵方法;两级放大和多轴耦合。例如,使用两级放大的干燥目的(做),他们观察到20μm珠子小模糊点,而观察清晰,通过复合组装轮圈。在多轴耦合过程中,科学家们将单个DO与同一成像平面上的多个MOs耦合。通过在一个矩形框架中使用一个简单的光栅扫描,研究团队获得了一个包含多个圆形FOV(视场)的矩形图像,其中每个FOV对应一个MO, FOV之间的像素串扰最小。

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科学家们认为数值孔径(NA)的放大使得这种复合装置具有更好的分辨率。相关的镜头也是灵活和定制设计的大规模生产的低成本,以协助实验设计。MATRIEX的主要特点是它的能力,图像多个对象同时在大深度间隔。为了强调这一点,Yang等人设计了具有不同参数的不同MOs,将它们放置在特定深度,对应的物体平面共轭在同一轴线上。在实践中,研究团队通过沿着每个z轴分别调整MOs来补偿期望的和实际对象深度之间的微小不匹配。

通常,在干物镜下,靶区的最大横向尺寸受扫描场的最大尺寸限制。例如,使用2倍放大的DO和直径12毫米的目标区域,科学家可以成像整个成年老鼠的大脑。在本研究中,Yang等人同时对小鼠额叶联合皮层和小脑进行了成像。在实践中,一个4倍的空气物镜是适合实现更好的分辨率,以观察细枝晶结构。

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作为原理证明,研究团队使用MATRIEX对小鼠初级视觉皮层(V1区)、初级运动皮层(M1区)和海马CA1区荧光标记神经元同时进行双光子Ca2 成像。在这三个金属氧化物半导体的结构中,科学家们将两个适合V1和M1区域的金属氧化物半导体直接置于皮质之上,并在切除皮质组织后将一个金属氧化物半导体插入海马CA1区域。然后,研究小组为对应于V1、M1和CA1的目标平面设计了镜头,以便在同一成像平面上接合。科学家们使用配备了12千赫共振扫描仪的双光子显微镜,在放大三个不同的部分来解析单个神经元后,扫描整个图像来观察三个fov和它们的单个细胞。然后他们注意到激光功率分布在多个fov上。

Yang等人可以在单个大脑区域内使用传统单视点成像技术获得这些结果,而MATRIEX技术为他们提供了单视点成像技术之外的数据。综上所述,这些结果使得从麻醉状态到清醒状态的自发活动模式在小鼠中具有高度不均匀的分布和转化,跨越了单细胞分辨率的脑电回路水平。

因此,Menge Yang和他的同事开发了基于两级放大和多轴光学耦合原理的矩阵技术。他们同时进行了双光子Ca2 成像的神经元群体活动在不同区域的不同深度(V1, M1和CA1)麻醉和清醒小鼠的单细胞分辨率。重要的是,任何传统的双光子显微镜都可以转换成矩阵显微镜,同时保留所有原有的功能。改造的关键在于复合目标总成的设计。研究人员可以使用不同的、精心设计的金属氧化物半导体(MOs)来适应不同的大脑区域,使基质技术与传统显微镜技术之间具有100%的兼容性。研究小组希望MATRIEX技术能够在单细胞分辨率上显著地推进三维的、大脑范围内的神经电路动力学。

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