加州大学伯克利分校、NKT Photonics 和 Thorlabs 合作开发的双光子全息介观显微镜观察到神经活动的细节
发布时间：2023-12-05 11:28:40 阅读数： 192
双光子全息介观显微镜将促进对分布式大脑网络的了解。
加州大学伯克利分校（UC Berkeley）开发的显微镜平台能够光激活一个脑区神经元的空间和时间序列，同时读出其他几个脑区的下游效应。
该设备由 NKT Photonics aeroPULSE FS50 超快光纤激光器（用于光刺激）和 Thorlabs 公司生产的改进型双光子介观显微镜（视场为 5 x 5 毫米）组成。
加州大学伯克利分校的研究小组在研究报告的预印本中评论说：大脑计算依赖于错综复杂但高度分布的神经网络。由于缺乏必要的技术，对真实间处理性质的因果检验假设在很大程度上仍然遥不可及。我们开发出了首个双光子全息介观显微镜系统，能够同时读写大脑大区域内单细胞分辨率的神经活动模式。据该项目介绍，介观尺度双光子显微镜能够在相对较大的脑组织区域内以微米级的精度对神经活动进行采样，这对希望研究活体动物分布式神经行为的研究人员大有帮助。但是，尽管这些系统可以监测细胞活动，却无法刺激或扰动细胞活动，以观察对其他部位神经行为的影响，从而揭示不同脑区之间的因果关系。与全息系统的数值孔径和集成有关的技术挑战一直阻碍着这样一个平台的建立。
检验以前无法检验的理论
为了解决这些问题，该项目组装了一个三维全息系统，并将其完全集成到随机访问双光子介观显微镜上，从而实现了对大脑中神经系统的单细胞分辨率全息光刺激。研究小组表示，在这种设计中，新的光刺激路径不会影响介观显微镜的宽视场或其必要的移动能力。
在应用该平台对小鼠大脑组织进行成像的试验中，全息介观显微镜可以在 1mm × 1 mm的视野内进行有针对性的光刺激，同时在 5mm × 5 mm的更大标称成像视野内进行介观成像。
(左)小鼠大脑的示意图。全息介观显微镜允许在1mm×1mm视场(洋红色正方形)内进行定向光刺激，同时在5mm×5mm成像视场(虚线白色)上进行介观尺度成像。(右)转基因小鼠大视场上2p介观尺度图像示例。洋红色方框表示在一个以4.5 Hz帧率记录的2.4 mm × 2.4 mm的介观尺度成像视场内的可访问全息视场。来源:加州大学伯克利分校。除了神经活动模式成像外，加州大学伯克利分校的平台还能指导未来脑机接口的设计，因为神经组织中信号流的细节是协调向体外设备传输指令的一个关键方面。在灵长类动物等较大的大脑中进行光遗传学研究，也可以通过这种设备更容易地实现。
研究小组在论文中评论道：我们期待介观尺度双光子全息光遗传学成为系统神经科学的一项关键技术，它可以建立全新的扰动实验类别，以检验以前无法检验的大脑功能理论。
