活體雙光子成像
日期:2017-02-21 08:59:58
一直以來科學家們都希望能了解我們人體在清醒狀態下的大腦活動規律,但要實現這一點并不容易,近期來自北京大學生命科學學院的研究人員在在清醒猴認知行為條件下,最終實現了穩定時間超過6個月的雙光子成像,這無疑為神經科學研究帶來了新希望。
這一研究成果在線公布在2月16日的Neuron雜志上,文章的通訊作者是北京大學生命科學學院和麥戈文腦科學研究所唐世明研究員,第一作者為北京大學生命科學中心2014級博士生李明。唐世明早年畢業于北航,曾獲第九屆中國青年科技獎,入選新世紀“百千萬人才工程”國家級人選等。研究組主要研究方向是采用電極陣列、光學成像、分子生化、雙光子等研究技術,分析包括視覺皮層在內的復雜神經線路,研究視覺系統如何同時產生形狀識別的選擇性和不變性。
實時觀測大腦中發生的活動,有助于科學家了解我們大腦運作的規律,找到治療疾病的新方法。傳統的成像方法需要停止組織的細胞活動,而雙光子成像技術,能以單細胞至單突觸分辨率,觀察腦皮層大量神經元活動,近年來在神經科學領域獲得廣泛應用。
獼猴在認知行為、腦結構及功能方面都接近于人類,是人類腦疾病、視覺認知及其他高級認知功能研究理想的模式動物。由于大動物存在腦表面組織增生嚴重、腦組織跳動大、基因編碼探針的表達效率低等困難,清醒猴長時期的雙光子成像一直未能實現,成為該領域研究的一個技術瓶頸。
在這篇文章中,研究人員通過在猴視覺皮層顯微注射腺相關病毒(AAV),轉入基因編碼探針,實現了清醒猴長時期雙光子成像。新設計的成像窗口能有效防止顱內感染及硬腦膜增生,保持長達數月的穩定光學質量。AAV介導的基因編碼探針,包括鈣探針GCaMP5和GCaMP6s ,可以在猴視覺皮層獲得長時期高效和穩定的表達。通過改進頭部固定裝置以及圖像移動修正,獲得了穩定的圖像和高質量的神經活動信號,最終在清醒猴認知行為條件下,實現了穩定時間超過6個月的雙光子成像。
這項還首次實現了在清醒猴雙光子成像下,同時進行神經元胞內記錄及單細胞電轉等電生理研究及操作,證明了鈣探針信號與神經元活動大范圍的線性關系(10Hz - 150Hz),并能實現猴腦皮層神經元稀疏轉染和樹突成像。
雙光子顯微鏡在實驗生物學中正變得越來越有必要。其應用范圍包括追蹤細胞和亞細胞的運動,監控稀有事件,并記錄小型結構的高速信號。神經元樹突和樹突棘很小,而神經電生理信號又很快,如膜電位或離子濃度的瞬變,這使得這些結構的功能研究必須使用高時空分辨率的記錄方法。
在這方面,傳統的雙光子顯微鏡,再加上對生理參數敏感的熒光指示劑,只提供了部分解決方案,帶來了近衍射極限的空間分辨率。這是因為傳統的雙光子顯微鏡使用相對較慢的束掃描方法,它嚴重限制了功能數據可被記錄的程度。而現代高速雙光子成像系統的發展越來越快,已經在多個研究領域中取得了進展。