全自動多光子顯微鏡應用

ＳｔｅｒｎａｎｄＪｅａｎＭａｒｘ在評論中說：祖家能夠在更為精細的層次研究樹突的功能，這在以前是完全不可能的。新的技術（如腦片的膜片鉗和雙光子顯微使人們對樹突的計算和神經(jīng)信號處理中的作用有了更好的理解。他們解釋了是樹突模式和形狀多樣性，及其獨特的電、及其獨特的電化學特征使神經(jīng)元完成了一系列的專門任務。雙光子與共聚焦在發(fā)育生物學中的應用雙光子∶每2.5分鐘掃描一次，觀察24小時，發(fā)育到桑椹胚和胚泡階段共聚焦∶每15分鐘掃描一次，觀察8小時后細胞分裂停止，不能發(fā)育到桑椹胚和胚泡階段共聚焦激發(fā)時的細胞存活率為多光子系統(tǒng)的10～20%。從雙光子到三光子甚至四光子，這種非線性成像技術通常也被統(tǒng)稱為多光子顯微鏡。全自動多光子顯微鏡應用

快速光柵掃描有多種實現(xiàn)方式，使用振鏡進行快速2D掃描，將振鏡和可調電動透鏡結合在一起進行快速3D掃描，但可調電動透鏡由于機械慣性的限制在軸向無法快速進行焦點切換，影響成像速度，現(xiàn)可使用空間光調制器（SLM）代替。遠程聚焦也是一種實現(xiàn)3D成像的手段，如圖2所示。在LSU模塊中，掃描振鏡進行橫向掃描，ASU模塊包括物鏡L1和反射鏡M，通過調控M的位置實現(xiàn)軸向掃描。該技術不僅可以校正主物鏡L2引入的光學像差，還可以進行快速的軸向掃描。想要獲得更多神經(jīng)元成像，可以通過調整顯微鏡的物鏡設計來擴大FOV，但是具有大NA和大FOV的物鏡通常重量較大，無法快速移動以進行快速軸向掃描，因此大型FOV系統(tǒng)需要依賴于遠程聚焦、SLM和可調電動透鏡。高速高分辨率多光子顯微鏡數(shù)據(jù)采集多光子激光掃描顯微鏡采用波長較長的紅外激光,能量脈沖式激發(fā),紅外光比可見光在生物組織中的穿透力更強。

多光子顯微優(yōu)點：☆光損傷小：由于雙光子顯微鏡使用的是可見光或近紅外光作為激發(fā)光源，這一波段的光對細胞和組織的光損傷小，適用于長時間的研究；☆穿透能力強：相對于紫外光，可見光和近紅外光都具有更強的穿透能力，因而受生物組織散射的影響更小，解決對生物組織中深層物質的層析成像研究問題；☆高分辨率：由于雙光子吸收截面很小，只有在焦平面很小的區(qū)域內(nèi)可以激發(fā)出熒光，雙光子吸收*局限于焦點處的體積約為波長3次方的范圍內(nèi)；☆漂白區(qū)域小：由于激發(fā)只存在于交點處，所以焦點以外的區(qū)域都不會發(fā)生光漂白現(xiàn)象；☆熒光收集率高：與共聚焦成像相比，雙光子成像不需要光學濾波器，這樣就提高了對熒光的收集率，而收集率的提高直接導致圖像對比度的提高；☆圖像對比度高：由于熒光波長小于入射波長，因而瑞利散射產(chǎn)生的背景噪聲只有單光子激發(fā)時的1/16，降低了散射的干擾；☆光子躍遷具有很強的選擇激發(fā)性，所以可以對生物組織中一些特殊物質進行成像研究；☆避免組織自發(fā)熒光的干擾，獲得較強的樣品熒光：生物組織中的自發(fā)熒光物質的激發(fā)波長一般在350~560nm范圍內(nèi)，采用近紅外或紅外波段的激光作為光源，能**降低生物組織對激發(fā)光吸收。

對于雙光子(2P)成像，散焦和近表面熒光激發(fā)是兩個相對較大的深度限制因素，而對于三光子(3P)成像，這兩個問題**減少。然而，由于熒光團的吸收截面遠小于2P，三光子成像需要更高的脈沖能量才能獲得與2P相同激發(fā)強度的熒光信號。功能性3P顯微鏡比結構性3P顯微鏡要求更高，后者需要更快的掃描速度以便及時采樣神經(jīng)元活動。為了在每個像素的停留時間內(nèi)收集足夠的信號，需要更高的脈沖能量。復雜的行為通常涉及大規(guī)模的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡，這些網(wǎng)絡既有本地連接，也有遠程連接。為了將神經(jīng)元的活動與行為聯(lián)系起來，需要同時監(jiān)測***分布的超大型神經(jīng)元的活動。大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡將在幾十毫秒內(nèi)處理輸入的刺激。為了理解這種快速神經(jīng)元動力學，MPM需要快速成像神經(jīng)元的能力?？焖費PM方法可分為單束掃描技術和多束掃描技術。世界多光子激光掃描顯微鏡產(chǎn)業(yè)主要布局在德國和日本，德國是徠卡顯微系統(tǒng)和蔡司。

多光子顯微鏡對成像深度的改善利用紅光或紅外光激發(fā)，光散射?。ㄐ×Ｗ拥纳⑸渑c波長的四次方的成反比）。不需要***，能更多收集來自成像截面的散射光子。***不能區(qū)分由離焦區(qū)域或焦點區(qū)發(fā)射出的散射光子，多光子在深層成像信噪比好。單光子激發(fā)所用的紫外或可見光在光束到達焦平面之前易被樣品吸收而衰減，不易對深層激發(fā)。多光子熒光成像的特點。深度成像∶與共聚焦相比能更好地對厚散射物質成像。信噪比∶多光子吸收采用的波長是單光子吸收的2倍以上，所以顯微試樣中的瑞利散射更小，熒光測定的信噪比更高。觀察活細胞∶離子測量（i.e.Ca2+），GFP，發(fā)育生物學等—減少了光毒性和光漂白，能對細胞長時間觀察。多光子顯微鏡中，極短的激光脈沖聚焦在樣品上的緊密點上，激發(fā)熒光團產(chǎn)生圖像。美國進口多光子顯微鏡價格多少

多光子顯微鏡之類的先進光學技術能夠在活生物體的大腦表面下更深地成像。全自動多光子顯微鏡應用

單束掃描技術可以高速遍歷大視場（FOV）的神經(jīng)組織：使用MPM對神經(jīng)元進行成像時，通過隨機訪問掃描—即激光束在整個視場上的任意選定點上進行快速掃描—可以只掃描感興趣的神經(jīng)元，這樣不僅避免掃描到任何未標記的神經(jīng)纖維，還可以優(yōu)化激光束的掃描時間。隨機訪問掃描（圖1）可以通過聲光偏轉器（AOD）來實現(xiàn)，其原理是將具有一個射頻信號的壓電傳感器粘在合適的晶體上，所產(chǎn)生的聲波引起周期性的折射率光柵，激光束通過光柵時發(fā)生衍射。通過射頻電信號調控聲波的強度和頻率從而可以改變衍射光的強度和方向，這樣使用1個AOD就可以實現(xiàn)一維橫向的任意點掃描，利用1對AOD，結合其他軸向掃描技術可實現(xiàn)3D的隨機訪問掃描。但是該技術對樣本的運動很敏感，易出現(xiàn)運動偽影。目前，快速光柵掃描即在FOV中進行逐行掃描，由于利用算法可以輕松解決運動偽影而被普遍的使用。全自動多光子顯微鏡應用