2020年8月10日，《Nature Biotechnology》雜志在線發(fā)表了題為《共聚焦光場顯微鏡對小鼠和斑馬魚大腦快速體成像》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王凱研究組完成。該研究發(fā)展了一種新型體成像技術(shù)：共聚焦光場顯微鏡(Confocal light field microscopy)，可以對活體動物深部腦組織中神經(jīng)和血管網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速大范圍體成像。
跨腦區(qū)大規(guī)模的神經(jīng)元如何整合信息并影響行為是神經(jīng)科學(xué)中的核心問題，解答這個問題需要在更高時空分辨率上捕捉大量神經(jīng)元活動動態(tài)變化的工具。共聚焦顯微鏡和雙光子顯微鏡等運(yùn)用于活體腦成像的傳統(tǒng)工具基于點(diǎn)掃描，時間分辨率較低，難以研究大范圍腦區(qū)中神經(jīng)元的快速變化。因此，近年來人們一直致力于開發(fā)更快的成像方法。在多種新技術(shù)中，光場顯微鏡尤其具有潛力，得到了廣泛關(guān)注。其特點(diǎn)在于可以在相機(jī)的單次曝光瞬間，記錄來自物體不同深度的信號，通過反卷積算法重構(gòu)出整個三維體，實(shí)現(xiàn)快速體成像，在線蟲、斑馬魚幼魚等小型模式動物上已獲得初步應(yīng)用。 傳統(tǒng)光場顯微鏡存在兩個難以解決的問題，限制了其在生物成像上的廣泛應(yīng)用。首先，重構(gòu)的結(jié)果會出現(xiàn)失真。2017年王凱研究組研發(fā)的新型擴(kuò)增視場光場顯微鏡（eXtendedfield-of-view Light Field Microscopy, XLFM）有效解決了這個問題，并成功應(yīng)用于自由行為斑馬魚幼魚的全腦神經(jīng)元功能成像上，首次三維記錄了斑馬魚幼魚在完整捕食行為中的全腦神經(jīng)元活動的變化。其次，現(xiàn)有光場顯微成像技術(shù)缺乏光學(xué)切片能力，無法對較厚組織，比如小鼠的大腦進(jìn)行成像。讓光場顯微鏡具有共聚焦顯微鏡一樣的光學(xué)切片能力，濾除大樣品中焦層之外的背景信號來提高信噪比，是提高成像質(zhì)量、可廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵所在。
圖 1（上）共聚焦光場顯微鏡原理示意圖。（下）不同于傳統(tǒng)光場顯微鏡，共聚焦光場顯微鏡采用片狀照明，選擇性激發(fā)樣本的一部分，在垂直照明的方向上掃描，采集到的信號被遮擋板過濾掉焦層范圍之外的部分。對采集到的圖像進(jìn)行重構(gòu)可以得到焦層內(nèi)的三維信息。 研究團(tuán)隊(duì)在不同動物樣品上測試了共聚焦光場顯微鏡的成像能力。首先，團(tuán)隊(duì)成員對包埋的活體斑馬魚幼魚進(jìn)行全腦鈣成像，對比共聚焦和傳統(tǒng)光場顯微鏡的成像結(jié)果，發(fā)現(xiàn)加入光學(xué)切片能力后，圖像分辨率和信號噪聲比顯著提高，可以檢測到更多較弱的鈣活動。進(jìn)一步的，將共聚焦光場顯微鏡和高速三維追蹤系統(tǒng)結(jié)合，對自由行為的斑馬魚幼魚進(jìn)行全腦鈣成像，在? 800 μm x 200 μm的體積內(nèi)達(dá)到了2 x 2 x 2.5 μm3的空間分辨率和6Hz的時間分辨率。受益于更高的分辨率和靈敏度，可以識別出斑馬魚幼魚在捕食草履蟲過程中單個神經(jīng)元的鈣離子活動的變化。
