超微型显微成像系统(Miniature Scope)

目前,最主要的在体脑功能研究技术主要包括核磁共振(fMRI)、多通道电生理以及双光子荧光显微成像。这几种方法分别基于不同的机理来反映哺乳动物的脑功能活动,在时空间分辨率、细胞特异性、检测范围和应用对象上都有着较大的区别。其中,fMRI是完全无损的检测方式,但时空间分辨率较低,不具有细胞特异性,也无法用于自由活动的动物。多通道电生理是神经生物学研究中最为经典的一种方法,通过电极与神经元直接接触进行记录,能够在较高的时间分辨水平上反映神经元的电活动特征,但是无法进行特异性记录,也无法在环路水平上进行同步记录。钙敏感荧光探针的出现使得光学方法可以很好的应用于神经科学研究,双光子显微成像是目前最为成熟的在体钙成像技术,具有低损伤、高空间分辨的特点,能够在环路水平实现特异性的神经元钙信号记录。但是由于系统机构庞大,钙成像的方法仅适用于头部固定和麻醉动物的研究。
针对现有技术的局限性,新开发的可以用于行为动物在体钙成像的超微型显微成像系统,很好的补充了传统的双光子显微成像技术无法用于自由活动动物研究的短板。进一步丰富了神经科学研究的技术手段。

常用脑功能研究方法优劣比较

研究方法                   单细胞分辨 细胞特异性 深脑检测 环路水平 自由活动动物
核磁共振fMRI                  ×                   ×                            √             ×                     ×
多通道电生理                  √                    ×                            √             ×                     √
双光子显微镜                  √                    √                            √             √                     ×
微型荧光显微镜             √                     √                            √             √                     √

超微型显微成像系统


该系统采用的是经典的落射式照明和采集结构,与实验室通常所使用的荧光显微镜基本一致。系统采用蓝色LED作为激发照明光源,通过渐变折射率光纤耦合到实验动物脑内,绿色荧光图像信号经过带通滤波后被图像采集器件收集和传输。超微型显微成像系统主要包括显微镜镜体、固定板、GRIN透镜、CMOS、图像采集卡及采集软件等;整体重量约为3g左右,适用于小鼠、大鼠等常用的实验室模式动物。显微镜整体的尺寸为:6mm x 10mm x 18mm,基本不会影响实验动物在行为系统中的自由活动。


这套超微型显微成像系统所使用的GRIN透镜的直径从0.5~1 mm可选,工作距离约为50~200 um,长度根据所研究脑区来优化确定。常用的透镜型号如下:
     型号                 直径             长度
GLP-1042          1.0mm         4.0mm
GLP-0672          0.6mm         7.3mm
GLP-0561          0.5mm         6.1mm
GLP-0582          0.5mm         8.4mm


超微型显微成像系统LED光源的中心波长为470 nm,GFP荧光模块分为激发光滤光片、二相色镜和荧光滤光片,激发光滤光片的中心波长是470 nm,带宽是40 nm,荧光滤光片的中心波长是525 nm,带宽是50 nm。成像器件的最大成像速度是60 帧/s,芯片的像素数是752*480,单个像素尺寸是6.0*6.0 um。

实验步骤


1、通过病毒(GCaMP6)和/或转基因技术标记细胞。
2、在标记细胞的正上方植入透镜。
3、等待小鼠恢复和病毒表达
4、在透镜上安装微型显微镜,微调以优化图像质量。
5、在老鼠自由活动情况下,通过软件记录高清视频和大型神经回路活动。

三款产品

1、nVista


美国Inscopix公司生产的超微型荧光显微镜。用于研究不同部位神经元环路和行为之间的关系的工具。

主要特点:

  • 自由活动物体的脑成像系统。无论你是一个经验丰富的电生理学家,还是一名见多识广的脑成像专家,nVista都将为你的研究项目提供支持。

  • 可以开展纵向研究。对自由活动物体进行长期成像研究。对同一细胞群体进行数日或数周的成像测试。.

  • 研究多种行为。能够结合多种行为研究范式,包括:空间导航、社会交互、条件性操作,运动学习。

  • 获取更多数据。能在预先设定好的细胞群中定位、记录、可视化单个神经细胞活动,同一视野内可同时记录清醒的、自由活动动物的1000多个神经元活动。

  • 拓展研究范围。可对大部分脑区进行成像,包括大脑深层结构和表层脑区。使用快速基因编码Ca2+指示剂观察最相关细胞群体。

2、nVoke


美国Inscopix公司生产的超微型荧光显微镜和光遗传一体机。是完整的光遗传研究系统,既可以进行光刺激,也可以采集刺激后反应的结果呈现。允许您进行非常复杂的试验假设的验证。

主要特点:

  • 包括自由活动小鼠的成像与光遗传。通过nvoke,可对积极行为进行综合影像成像和光遗传研究,从而增加对认知、行为及大脑失调的基本认识。

  • 使用多协议。nvoke支持常见的指示剂/视蛋白组合件:GCaMP/Chrimson(兴奋性协议)用于不同脑区间的连通性研究和GCaMP / nphr3.0或Jaws(抑制协议)用于神经微回路研究。

  • 同时进行成像与光遗传。综合的钙成像和光遗传系统可实现同一视野内调节、记录神经活动。确定神经回路和行为之间的因果关系。

  • 同步实验。 nvoke可实现跟踪、分析行为,数据采集箱的4个输入/输出端口,增加了实验的灵活性。

3、E-Scope


德国LabMaker UG公司生产的超微型荧光显微镜。用于研究不同部位神经元环路和行为之间的关系的工具。该显微镜数据采集为三通道,可以同时进行3只动物的数据采集,实验效率明显高于其他厂家的产品。另外产品采用柔性光纤束进行荧光信号的接收,解决了动物的活动和行为由于荧光传输光缆拖拽而受到干扰的难题。该产品为德国技术,中国价格,所以性价比突出,非常符合中国科技人员利用有限资源做出最大效益的逻辑。
该系统具备nvista系统的大多数特点,如观察自由行动的试验动物、可开展纵向研究,能够结合多种行为研究范式,对大多数脑区进行研究。可对神经细胞进行定位、记录和可视化等。

整合同步行为分析系统

超微型显微成像系统的最大优势就是在动物自由活动的情况下,研究脑神经细胞活动的规律。将该系统和行为分析系统整合同步后,就能同时采集活体神经细胞活动数据和动物行为数据,这会帮助研究人员更加真实的理解大脑的功能。


由于诺达思(Noldus)公司的运动轨迹跟踪系统(EthoVision)具有外部数据整合同步功能,通过该功能给超微型显微成像系统发送指令而启动该系统,从而实现两个系统的同步整合功能,从而为研究者提供完整的脑功能研究解决方案。目前诺达思公司的运动轨迹跟踪系统(EthoVision)与InScopix的nVista已经实现同步整合,系统提供脑细胞成像数据的同时也可以给出动物行为数据。