科大研究人员在前所未有的深度实现了小鼠大脑皮层近无创活体成像

(文章转载自EurekAlert!,原刊於2022年6月13日)

14-06-2022
In vivo 3P calcium imaging

穿过完整的颅骨(110-微米 厚度)对活体CCK-GCaMP6s 小鼠(4 个月大)的体感皮层软脑膜下方不同深度的神经元自发响应的三光子钙离子成像,仅进行系统校正(左)和完整的 AO 校正(右)。

香港科技大学(科大)的一个研究小组首次实现穿过完整的小鼠头骨在脑膜下方750微米这一前所未有的深度,对小鼠大脑皮层内的微小神经结构進行活体成像。这一研究能够以接近无创的方式在大脑皮层中进行高分辨成像,将进一步促进大脑科学的研究。

对活体大脑中神经元、神经胶质细胞和微血管系统進行直接而非侵入式成像对于增强我们对大脑功能的理解至关重要。近几十年来,人们一直致力于开发用于完整大脑活体成像的新技术。然而,超声成像(超声)、正电子发射断层扫描(PET)和磁共振成像(MRI)等等現行技术都无法提供足够的空间分辨率来对亚细胞水平的生物结构进行可视化。

虽然三光子显微技术(3PM)等光学显微技术可以对活体样本的结构和功能信息进行高时空分辨率显微成像,然而,当光穿过不均匀的生物组织并与其相互作用时,就会产生光学像差和散射,这从根本上限制了光学显微镜在分辨率和成像深度上的性能。

要矫正像差并恢复光学显微镜在活体成像时的分辨率,自适应光学(AO)有希望成为一种解决方案,但它并非没有缺点:当成像深度增加时,用于传统波前传感的导星信号会迅速消失。

在电子与计算机工程系教授瞿佳男教授和生命科学系首席教授叶玉如教授的共同领导下,科大的研究团队最近开发了一种结合了3PM和两种AO技术的显微镜,实现了对组织深处中低阶和高阶像差的快速测量和校正。

该系统利用了两种 AO 技术:基于相敏感方法直接测量焦点电场分布技术和遥距调焦共轭自适应光学技术(CAO)。通过对导星信号进行编码再解码,该方法实现了对像差的快速AO测量和校正。这一方法能够准确测量激光在组织中带像差的电场点扩散函数,同时快速校正大脑中大成像体积内的像差。

该团队使用 1300 納米的激发波长验证了 AO-3PM 系统的成像性能,实现了穿过完整的头骨在活体小鼠和体外试剂上成像。结果表明,AO-3PM 实现了高空间分辨率,在大脑深处显著提升了荧光信号,并在软脑膜下方高达 750 微米的深度对小鼠大脑皮质进行了高分辨率的结构和功能成像。

此外,通过使用孔径 AO-3PM,该团队实现了对开颅手术后的大脑内软脑膜下方高达 1.1 毫米深处的亚皮层结构的高分辨率成像。利用他们独特的 AO 技术提供的小焦点,该研究小组进一步展示了AO-3PM 引导精确激光手术的能力,以及穿过完整小鼠头骨研究大脑皮质中小胶质细胞在手术后的变化的潜力。

“利用电子技术和光学技术的交叉为实验生物学提供一种新工具,这绝对是一件有趣的事情,”瞿教授说。 “总的来说,我们的研究结果表明,AO-3PM 技术在促进活体成像技术和活体大脑研究方面具有巨大潜力。”

 “这种先进的 AO-3PM 系统能够实现的效果确实令人惊叹,” 叶教授解释道。“这种在最佳的生理条件下对大脑深处成像的先进技术的高性能和无与伦比的准确性将大大拓宽我们对活脑的理解。”

研究结果最近发表在《Nature Biotechnology》上。

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