厘米尺度微米精度在视频速率进行生物动态成像

2022-10-26 09:40:40 浏览:363

文章名称:Video-rate imaging of biological dynamics at centimetre-scale and micrometre-resolution

发表期刊:Nature Photonics

发表日期:2019年7月

1 摘要

高时空分辨率的生物动力学大尺度成像是系统生物学研究的重要内容。然而,由于空间带宽积定理的限制,传统显微镜在视场和空间分辨率之间存在一个固有的矛盾,并且,更多的是对大型成像平台产生的大量数据的处理能力的要求。在这项工作中,我们通过使用平面-曲面-平面的成像策略来打破上述这些成像瓶颈,在这种平面-曲面-平面架构中,样本平面被放大到一个大的球形图像表面,然后无缝传输到多个平面传感器。我们的实时、超大规模、高分辨率(RUSH)成像平台可以对10×12mm2的视野进行操作,解卷积后全视场均一的~1.2μm分辨率,数据吞吐量高达51亿像素每秒。我们使用RUSH平台实现了厘米尺度微米分辨率的生物动力学的视频帧率、十亿像素级的参数成像,并对清醒且行为正常的小鼠进行全脑范围的结构成像和功能成像。

2 系统结构图

厘米尺度微米精度在视频速率进行生物动态成像图1. RUSH系统的原理图和特性

3 主要结果图/视频

厘米尺度微米精度在视频速率进行生物动态成像图2. 心肌细胞团和神经元细胞团的高通量钙成像

厘米尺度微米精度在视频速率进行生物动态成像图3. 急性人脑皮层片自发性癫痫活动的体外钙成像研究

厘米尺度微米精度在视频速率进行生物动态成像图4. Cx3Cr1-GFP小鼠的体内脑部成像

厘米尺度微米精度在视频速率进行生物动态成像图5. 清醒且行为正常的小鼠对脑部的血管动力学和神经钙信号的同时体内成像

厘米尺度微米精度在视频速率进行生物动态成像图6. 成年C57BL/6小鼠体内树突分辨率的全脑皮层钙成像

4 亮点点评

视场与分辨率的固有矛盾和数据通量的瓶颈难题,使传统显微镜无法同时获得大视场和高时空分辨率的数据,制约了生命科学研究的发展。在这项工作中,研究团队提出的平面-曲面-平面的新型成像架构,实现了超大成像视场和超高通量的实时成像。通过对清醒小鼠在全脑皮层成像等实验,对以宽视场高分辨动态成像为基础的脑动态网络结构进行的探索,证明了该技术兼顾“全局形态”和“细节特征”的多测度观测效果。多尺度曲面中继协同显微成像新架构也为生命科学和医学研究亟需的新型显微成像技术的研发提供了新思路。

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