Cell Reports | 韩舒婷/杨暐健开发提高双光子显微镜成像通量的新技术学术资讯

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哺乳动物的大脑由多达几百亿神经元组成。神经元的功能并非相互独立，多数脑功能由神经元集群（neuronal ensemble）实现；多个神经元共同编码可以实现的功能大于仅仅简单相加单个神经元功能。为了研究神经元集群的功能，我们需要同时观测一群神经元的活动。传统双光子成像技术（two-photon microscopy）可以在单细胞层面记录神经元群体的活动，此技术通过激光对样品进行扫描，逐点收集样品的荧光信号。它虽然具有比较高的信噪比，而且可以对深层的组织进行成像，但它的成像通量比较低，一般无法对多个二维平面进行成像。

2019年5月14日，美国哥伦比亚大学韩舒婷教授、杨暐健教授在Cell Reports上发表文章Two-Color Volumetric Imaging of Neural Activity of Cortical Columns，提出了一个提高双光子显微镜成像通量的新技术。

研究人员通过用不同激光波长并行化激光扫描（wavelength multiplexing），增加了相同时间内可以成像的体积，并同时保持较高的时间和空间分辨率。通过引入两种波长不同的钙信号荧光探针，研究人员将神经元群体的活动标记为两个不同颜色，并同时用两个不同波长的激光激发探针，实现了两个颜色的并行化数据记录。为了实现三维空间成像，研究人员还分别在两个激光光路上配置了快速变焦系统，分别为电可调节透镜（electrical tunable lens）和空间光调制器（spatial light modulator）。由此，可以同时以10赫兹的速度记录500微米500微米的10个平面，覆盖纵深达600微米，涵盖了从脑皮层第2层到第5层的结构，体积内记录到的神经元可以达到2000个以上。

研究人员利用此技术研究清醒小鼠初级视觉皮层内的神经元群体的共同编码性质（emergent properties），以及神经元集群的结构和功能特性，还可以同时记录不同神经元群体的活动，例如小鼠视皮层第1层树突活动和第2/3层细胞体活动，以及从其他脑区例如前额叶皮层（prefrontal cortex）投射到视皮层的轴突活动和视皮层第2/3层细胞体在同一个三维体积里的活动。这也为研究两个神经元群体或者两个脑区间的相互作用提供了一种新的方法。

总之，这项研究不仅提供了一种新的三维高成像通量双光子钙成像方法，还为研究跨结构、跨区域的大规模神经元间的相互作用提供了基础。这项方法也与许多其他双光子钙成像技术兼容，结合起来可以更加提高成像体积及速度。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.04.075

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