2022年9月16日
我们开发了一种双光子全息显微镜,可以使用高时空分辨率可视化、评估和操纵神经活动,目的是阐明与异常神经活动相关的神经精神疾病的发病机制。
该协议提供有关神经活动的准确时空信息。该技术的主要优点是能够以高空间时间分辨率操纵和评估神经活动。它可能有助于说明导致神经活动异常的神经精神疾病的病原体。
这种方法可以应用于神经元的研究以及其他器官的健康。演示该程序的将是来自我们实验室的博士研究生郭忠天。头板植入后一天,在手术前一小时腹膜内注射1.32毫克/千克地塞米松磷酸钠,以避免脑水肿。
在立体镜下,使用牙钻进行直径约两毫米的圆形开颅手术。为减少脑损伤,请小心操作牙钻,不断轻微移动并轻轻向下按压。使用抽吸系统多次取出骨头碎片。
去除骨头碎片后,使用人工脊髓液或ACSF溶液去除并清洗大脑表面残留的任何碎片。重复此清洁程序几次以抑制炎症反应。使用压力注射系统,设置适当的压力,通过尖端直径为10至20微米的玻璃毛细管注入500纳升AAV溶液10分钟。
如果玻璃毛细管中的AAV溶液水平逐渐降低,则AAV溶液正在被施用于大脑。将玻璃毛细管再放置 10 分钟以防止回流。重复三次,将总共1.5微升AAV溶液注入大脑。
使用微量移液器将2%低熔点琼脂糖涂在S1的脑表面,然后用两个盖玻片在开颅手术上放置一个玻璃窗。将盖玻片压在琼脂糖上,当它仍然是液体时。这可以防止琼脂糖中形成气泡。
用牙科粘合剂树脂水泥密封颅窗的边缘。要校准全息刺激系统,请将红色荧光载玻片的表面放在样品平面上,并将显微镜设置为具有弱激发光的实时成像模式。运行校准 GUI。
mfile,选中参数窗格并单击保存按钮。单击第一步窗格中的 Z 扫描按钮,如果它将在每个平面相距两微米的 21 个不同轴向平面中自动生成三个随机点。移动滑动条并检查实时图像。
找到斑点最小和最亮的完美平面,然后单击"保存"按钮。这将自动生成数字全息图的偏移球面波前。单击步骤 2 窗格中的"开始"按钮,然后单击左侧方块上的六个点。
检查实时图像。如果有六个可区分的荧光点,则在编辑框中键入它们的 x 和 Y 轴,然后单击"保存"按钮。这将自动生成一个精细的变换系数,以协调全息刺激和成像系统之间的校准。
然后,点击 Scan 扫描 步骤三窗格中的按钮。它将生成441个数字全息图,以21×21步在整个视野中执行单点扫描。在列表框中更改模式时检查图像。
调整激光功率以获得成像设备动态范围内的光斑图像。将成像设备置于录制模式,然后单击播放按钮。播放完成后,单击第四步窗格中的生成权重图,然后选择堆叠图像。
然后关闭校准 GUI 窗口。它将自动生成一个权重图,以补偿每个点的不平衡强度。将带有顶板的AAV注射鼠标放在显微镜下,并使用全息显微镜和锁定钛蓝宝石激光进行双光子成像,该激光调谐至920纳米,具有25倍物镜。
在实时成像模式下打开商用成像软件。调整图像检测器的电压和成像激光器的功率,以优化表达GCaMP8f的神经元的亮度。捕获表达这种蛋白质的神经元的图像。
若要使用全息照明照亮特定神经元,请运行 SLM 控件。m 脚本文件。单击参考图像并选择获取的图像。
然后,单击"点"按钮以选择图像中神经元上的特定像素,然后按键盘上的"输入"按钮将其完成。要使用图像传感器以高时间分辨率检测神经活动,请设置曝光时间、成像区域和合并,然后执行图像采集。将鼠标放在显微镜下并进行双光子成像后,打开商业成像软件。
在实时成像模式下,调整图像检测器的电压和成像激光器的功率,以优化表达GCaMP-6m-p2A-ChRmine的神经元的亮度。捕获表达这些蛋白质的神经元的图像,然后按照前面显示的过程照亮特定的神经元。为了研究第二层和第三层神经元内的功能连接,使用空间光调制器生成光遗传学刺激的全息模式,并将其与双光子钙成像相结合。
将成像激光的强度设置为 920 纳米,在距离皮质表面 100 到 150 毫瓦的深度处,将视场设置为 256 微米 x 256 微米。将像素停留时间设置为 1.5 微秒(2 赫兹)或 100 纳秒(30 赫兹)。使用两赫兹和30赫兹作为成像帧速率,以查看单个全息刺激是否在神经元中引起钙反应。
将刺激单个神经元的全息刺激激光的强度设置为 10 毫瓦,足以诱导神经活动。同时,在 920 纳米处对钙铁响应进行成像,在 1040 纳米和 8 秒间隔处进行 10 次全息刺激,持续时间为 50 毫秒,基线周期为 10 秒。之后,将鼠标放回其主笼。
此处显示了在全息刺激和图像传感器的100赫兹成像中表达GCaMP8f的神经元的代表性图像和迹线。该图显示了每个激光功率下对全息刺激的神经反应。这里介绍了以 2 赫兹和 30 赫兹成像帧速率对 10 个不同神经元进行全息刺激期间代表性的钙 2+ 迹线。
相同的颜色表示相同的神经元。这里描述了评估神经元之间功能连接的示意图。当橙色神经元受到刺激时,红色神经元同时做出反应,表明这些神经元之间存在功能连接。
这里显示了野生型表达GCaMP6m的初级体感皮层神经元的典型图像。这些图形图像表示全息刺激期间以2赫兹和30赫兹成像帧速率的典型钙2+迹线。在两赫兹和30赫兹成像速度下都可以检测到对全息刺激的神经反应。
这些步骤对于减少大脑运动很重要,其次,获得稳定的结果。我们相信,这种显微镜可以诱导具有特定模式的神经元写入行为。通过这种技术,我们现在能够评估和操纵单个神经元的活动,并详细表征神经精神病学。
本研究提出了一种用于可视化、评估和操控神经活动的高时空分辨率双光子全息显微镜。该技术旨在阐明与异常神经活动相关的神经精神疾病的机制。
High-resolution two-photon holographic microscopy enables precise visualization and manipulation of neural activity, addressing a critical need for mechanistic de-risking in neuropsychiatric disorder research. This capability enhances predictive confidence in target validation and functional pathway interrogation, supporting risk-adjusted portfolio decisions in neuroscience R&D. The approach positions teams to advance disease-relevant models with quantitative, reproducible outputs for early discovery and translational research.
This method integrates into the neuroscience discovery continuum from early hypothesis testing through lead identification and preclinical validation, providing a reusable platform for functional neural interrogation.