三維自定義訪問串行全息用于神經(jīng)元活動的快速光學(xué)記錄

正文

三維自定義訪問串行全息用于神經(jīng)元活動的快速光學(xué)記錄

技術(shù)背景：

在體內(nèi)以細(xì)胞級空間分辨率和毫秒級時間分辨率對三維大腦回路中的神經(jīng)元活動進(jìn)行光學(xué)記錄對于探測大腦中的信息流至關(guān)重要砰嘁。通常使用多光子顯微鏡對神經(jīng)元活動進(jìn)行大規(guī)模體內(nèi)成像件炉，以破譯動物行為過程中分布式大腦回路中的神經(jīng)編碼和處理勘究。然而，傳統(tǒng)掃描顯微鏡很難應(yīng)對在毫秒時間尺度上運行的神經(jīng)元回路的三維結(jié)構(gòu)(因為體積和毫秒采集難以協(xié)調(diào))斟冕。體積多平面成像僅限于低采樣率和低軸向采樣密度口糕，因為體素采集最終受到激光脈沖率的限制】纳撸空間激發(fā)多路復(fù)用改進(jìn)了三維采樣景描，但廣泛的多路復(fù)用通過背景熒光的積累降低了信噪比(SNR)，并加劇了大腦發(fā)熱孤里。

雖然隨機(jī)存取多光子顯微鏡允許在三個維度上快速光學(xué)訪問神經(jīng)元目標(biāo)伏伯，但該方法在記錄行為動物(behaving animals)時受到運動偽影的挑戰(zhàn)。隨機(jī)存取多光子(random-access multiphoton, RAMP)顯微鏡以不連續(xù)的三維柵格掃描中的一系列不相交的感興趣點 (POI) 為目標(biāo)捌袜，從而截斷空間采樣以在時域中加速采樣说搅。三維RAMP顯微鏡已使用聲光偏轉(zhuǎn)器(acousto-optic deflector, AOD) 實現(xiàn)，它通過掃描光束的傾斜和離焦相位調(diào)制來控制激發(fā)焦點的三維位置虏等。然而弄唧，RAMP記錄僅限于體外操作和麻醉動物(因為清醒動物的記錄會受到大腦運動引起的記錄偽影的影響)。為了緩解這個問題霍衫，部署了專用的AOD掃描模式(例如補(bǔ)丁掃描(patch scan)和三維超表面掃描)候引，以獲取足夠的空間信息用于事后運動校正，其代價是時間分辨率敦跌。通過跟蹤參考對象并實時調(diào)整 AOD 掃描儀的掃描坐標(biāo)可以實現(xiàn)在線運動校正澄干。

技術(shù)要點：

法國巴黎文理研究大學(xué)的Walther Akemann(一作)Stéphane Dieudonné和Laurent Bourdieu(兩人為共同通訊)提出了一種針對三維RAMP顯微鏡中運動偽影問題的穩(wěn)健解決方案，命名為三維自定義訪問串行全息(three-dimensional custom-access serial holography, 3D-CASH)柠傍。它無需參考對象進(jìn)行交錯成像麸俘，因此可以更快地從神經(jīng)元群體中進(jìn)行采樣。

3D-CASH建立在快速聲光調(diào)制器的基礎(chǔ)上惧笛。通過X AOD/Y AOD串聯(lián)在4f系統(tǒng)中實現(xiàn)空間光調(diào)制从媚，用于3D RAMP顯微鏡，實現(xiàn)40kHz雙光子激發(fā)體積的全息成形患整。使用3D-CASH,以40kHz的頻率從神經(jīng)元進(jìn)行串行采樣拜效，3D位置可自由選擇。通過使用覆蓋細(xì)胞體及其預(yù)期位移場的尺寸優(yōu)化的激發(fā)光模式瞄準(zhǔn)每個神經(jīng)元各谚，消除運動偽影紧憾。從清醒小鼠視覺皮層中的GCaMP6f記錄推斷的尖峰率跟蹤移動條刺激的相位，與層間神經(jīng)元對相比嘲碧，內(nèi)部之間具有更高的尖峰相關(guān)性稻励。3D-CASH提供了對3D微回路中體內(nèi)神經(jīng)元活動的毫秒相關(guān)結(jié)構(gòu)的訪問抡句。

圖1粤攒、3DScope的原理

圖2蚌本、激發(fā)光的holographic patterning

圖3煌妈、用于清醒小鼠穩(wěn)定RAMP記錄的全息照明

附錄：

光學(xué)系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)：Akemann, W., Wolf, S., Villette, V. et al. Fast optical recording of neuronal activity by three-dimensional custom-access serial holography. Nat Methods (2021).

DOI：https://doi.org/10.1038/s41592-021-01329-7

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