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【中國科學報】我國科學家發展新型光場顯微鏡

可抓拍斑馬魚捕食時單個神經元變化

2020-08-14 中國科學報 黃辛 許悅
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中科院腦科學與智能技術卓越創新中心新型光場顯微鏡。王凱研究組供圖

  近日,中科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研究發展了一種新型體成像技術——共聚焦光場顯微鏡,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。相關研究論文8月10日在線發表于《自然—生物技術》。

  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。在多種新技術中,光場顯微鏡極具潛力,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,其在線蟲、斑馬魚幼魚等小型模式動物上已獲得初步應用。

  然而傳統光場顯微鏡存在重構的結果會失真,和缺乏光學切片能力、無法對較厚組織成像這兩個問題。

  2017年王凱研究組研發了新型擴增視場光場顯微鏡,有效解決了前一個問題。為解決后一個問題,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被稱為共聚焦光場顯微鏡。

  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。該技術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變化。在用該技術對鼠腦中的血細胞進行成像時,可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。

  據了解,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。

  相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41587-020-0628-7

 ?。ㄔd于《中國科學報》 2020-08-14 第1版 要聞)
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