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新型光場顯微鏡高速記錄大腦神經元活動和血流的快速動態變化

發布時間:2020-08-10

  2020810日,《Nature Biotechnology》雜志在線發表了題為《共聚焦光場顯微鏡對小鼠和斑馬魚大腦快速體成像》的研究論文,該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室王凱研究組完成。該研究發展了一種新型體成像技術:共聚焦光場顯微鏡(Confocal light field microscopy),可以對活體動物深部腦組織中神經和血管網絡進行快速大范圍體成像。 

  跨腦區大規模的神經元如何整合信息并影響行為是神經科學中的核心問題,解答這個問題需要在更高時空分辨率上捕捉大量神經元活動動態變化的工具。共聚焦顯微鏡和雙光子顯微鏡等運用于活體腦成像的傳統工具基于點掃描,時間分辨率較低,難以研究大范圍腦區中神經元的快速變化。因此,近年來人們一直致力于開發更快的成像方法。在多種新技術中,光場顯微鏡尤其具有潛力,得到了廣泛關注。其特點在于可以在相機的單次曝光瞬間,記錄來自物體不同深度的信號,通過反卷積算法重構出整個三維體,實現快速體成像,在線蟲、斑馬魚幼魚等小型模式動物上已獲得初步應用。 

  傳統光場顯微鏡存在兩個難以解決的問題,限制了其在生物成像上的廣泛應用。首先,重構的結果會出現失真。2017年王凱研究組研發的新型擴增視場光場顯微鏡(eXtended field-of-view Light Field Microscopy, XLFM)有效解決了這個問題,并成功應用于自由行為斑馬魚幼魚的全腦神經元功能成像上,首次三維記錄了斑馬魚幼魚在完整捕食行為中的全腦神經元活動的變化。其次,現有光場顯微成像技術缺乏光學切片能力,無法對較厚組織,比如小鼠的大腦進行成像。讓光場顯微鏡具有共聚焦顯微鏡一樣的光學切片能力,濾除大樣品中焦層之外的背景信號來提高信噪比,是提高成像質量、可廣泛應用的關鍵所在。 

  然而,傳統共聚焦顯微鏡采用激光逐點掃描和共軛點針孔檢測來降低焦面外噪聲的策略不適用于三維光場顯微鏡。面對這一挑戰,研究團隊創新提出廣義共聚焦檢測的概念,使其可以與光場顯微鏡的三維成像策略結合,在不犧牲體成像速度的前提下有效濾除背景噪聲,大幅度提高了靈敏度和分辨率。這種新型的光場顯微成像技術稱為共聚焦光場顯微鏡。 

   

   1(上)共聚焦光場顯微鏡原理示意圖。(下)不同于傳統光場顯微鏡,共聚焦光場顯微鏡采用片狀照明,選擇性激發樣本的一部分,在垂直照明的方向上掃描,采集到的信號被遮擋板過濾掉焦層范圍之外的部分。對采集到的圖像進行重構可以得到焦層內的三維信息。 

  研究團隊在不同動物樣品上測試了共聚焦光場顯微鏡的成像能力。首先,團隊成員對包埋的活體斑馬魚幼魚進行全腦鈣成像,對比共聚焦和傳統光場顯微鏡的成像結果,發現加入光學切片能力后,圖像分辨率和信號噪聲比顯著提高,可以檢測到更多較弱的鈣活動。進一步的,將共聚焦光場顯微鏡和高速三維追蹤系統結合,對自由行為的斑馬魚幼魚進行全腦鈣成像,在800 μm x 800 μm x 200 μm的體積內達到了2 x 2 x 2.5 μm3的空間分辨率和6Hz的時間分辨率。受益于更高的分辨率和靈敏度,可以識別出斑馬魚幼魚在捕食草履蟲過程中單個神經元的鈣離子活動的變化。 

   

   2 (左)斑馬魚幼魚捕食行為的一個例子。0s 為斑馬魚吞食草履蟲的時刻。(右)左圖斑馬魚捕食行為中,共聚焦光場顯微鏡記錄到的兩個不同腦區的神經元活動。箭頭所指為過程中激活的單個神經元。 

  進而,團隊成員驗證了共聚焦光場顯微鏡對小鼠大腦的成像效果,對清醒小鼠的視皮層進行鈣成像,可以同時記錄800 μm x 800 μm x 150 μm的體積內近千個神經元的活動,最深可達約400 μm,并且連續5小時以上穩定記錄超過10萬幀,沒有明顯的光漂白。團隊成員進一步嘗試使用共聚焦光場顯微鏡對鼠腦中的血細胞進行成像,深度可達600 μm,拍攝速度70 Hz,同時記錄上千根血管分支中群體血細胞的流動情況并計算血細胞的速度,相比之前的傳統成像方法通量提高了百余倍。 

   

   3 (左)共聚焦光場顯微鏡拍攝得到的小鼠視皮層中的復雜血管網絡。6個在不同深度拍攝的體積連接為一個深度達600 μm的三維結構。(中)100 μm250 μm深度血管網絡的平面投影,顏色代表不同血管分支中血細胞的平均流速。(右)圖中箭頭所指的區域中五個血管分支在一段時間內流過血細胞數量的計數。 

  研究團隊在自由行為的斑馬魚幼魚和小鼠大腦上證明了共聚焦光場顯微鏡有更高的分辨率和靈敏度,這為研究大范圍神經網絡和血管網絡的功能提供了新的工具。同時,該技術不僅適用腦組織的成像,還可以根據所需成像的樣品種類靈活調整分辨率、成像范圍和速度,應用在其他厚組織的快速動態成像中。 

  該研究在王凱研究員的指導下,主要由博士研究生張朕坤、白璐和助理研究員叢林共同完成,王凱研究組余鵬、張田蕾、中科大本科生石萬卓、杜久林研究組李福寧也做出了重要貢獻,杜久林研究員參與合作并給予指導意見。該研究得到了中科院腦智卓越中心實驗動物平臺的大力支持。研究獲得了來自中國科技部、中國科學院、國家自然科學基金委員會和上海市的項目資助。 

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