微型化双光子显微镜论文集

2022-11-28 16:02:56 浏览:439

 

前言

20世纪90年代以来,双光子显微成像技术成为了目前应用最为广泛的活体动物成像的技术手段,在生物科学和医学领域均得到了广泛应用。本文列举了一些利用微型化双光子显微镜的论文集供大家参考。

1 Fast high-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freely behaving mice

W. Zong, R. Wu, M. Li, Y. Hu, Y. Li, J. Li, et al.
Nat Methods 2017 Vol. 14 Issue 7 Pages 713-719, DOI: 10.1038/nmeth.4305
Impact Factor 47.99

微型显微镜的发展使得我们可对活体动物的大脑神经活动和结构变化进行成像。然而,如何对自由行为的动物进行单个树突棘水平的成像仍是巨大的挑战。这篇文章发表于2017年,报道了可进行快速、高分辨率成像的微型化双光子显微镜(FHIRM-TPM)的设计和应用,成为商业化的超维景微型化双光子成像系统的技术基础。FHIRM-TPM头戴式成像探头重仅2.15克,利用中空芯光子晶体光纤传输920纳米飞秒激光脉冲,能够以高时空分辨率对GFP和GCaMP6成像(横向分辨率0.64毫米,轴向分辨率3.35毫米,256x 256像素光栅扫描速度为40赫兹,自由线扫描速度为10000赫兹)。这项微型化双光子显微镜技术被证明可对自由运动小鼠进行单个树突棘水平的神经元活动进行长达数小时的成像

左:FHIRM-TPM 在指尖上并安装在小鼠头部的照片
右:来自 Thy1-GFP 转基因小鼠大脑的神经元树突和树突棘的 3D 形态学。在总曝光时间为 1 秒的情况下获得了大致相同焦平
面的图像,展示了 FHIRM-TPM 显著优越于微型宽场显微镜,并媲美于台式 TPM 的成像效果。

 

2 Miniature Fluorescence Microscopy for Imaging Brain Activity in Freely-Behaving Animals

S. Chen, Z. Wang, D. Zhang, A. Wang, L. Chen, H. Cheng, et al.
Neurosci Bull 2020 Vol. 36 Issue 10 Pages 1182-1190, DOI: 10.1007/s12264-020-00561-z
Impact Factor: 5.21

神经科学的最终目标是在分子、细胞、电路和系统层面解释神经元信息处理的基本原理。微型荧光显微术
的出现,通过对参与自主行为的动物的大脑活动和结构动力学进行可视化,进一步推动了这一探索。这篇
综述总结了神经科学微型荧光显微镜的最新进展,主要集中在两种主流解决方案——微型单光子显微镜和
微型双光子显微镜。文中讨论了它们的技术优势和局限性,以及未来改进中未遇到的挑战。并提供了初步
应用的实例,以反映大脑成像在实验范式中的新趋势,包括身体运动、生理活动、疾病进展和衰老等。

一对小鼠在社交过程中前额叶神经元活动的同时成像。左侧,两只小鼠在用 FHIRM-TPM 成像时进行社交活动的快照;中间,
GCaMP6s 标记了两只小鼠前额叶皮质中的神经元胞体和树突;右侧显示了六个感兴趣区域的神经元胞体和树突的钙离子活动
瞬态。

 

 

3 An optimized acetylcholine sensor for monitoring in vivo cholinergic activity

M. Jing, Y. Li, J. Zeng, P. Huang, M. Skirzewski, O. Kljakic, et al.
Nat Methods 2020 Vol. 17 Issue 11 Pages 1139-1146, DOI: 10.1038/s41592-020-0953-2
Impact Factor 47.99

直接测量乙酰胆碱(ACh)释放的能力是理解其生理功能的重要步骤。这篇文章报道了一个优化的GRAB
(ACh)(基于GPCR激活的ACh)传感器,可显著提高ACh检测灵敏度,并减少与细胞内下游信号通路
的耦合。改进版本的ACh传感器保留了其前身ACh的亚秒响应动力学、生理相关亲和力和精确的分子特异
性。结合光纤测光记录和微型化双光子成像,该ACh传感器可在执行各种行为的小鼠多个大脑区域中灵敏
地检测单次ACh动态。

左上:实验示意图,将视觉皮层中表达 ACh3.0 的小鼠置于跑步机上,并使用微型双光子显微镜记录 ACh3.0 荧光。
右上:ACh3.0 对听觉刺激、视觉刺激或在跑步机上跑步的伪彩色荧光反应。记录了 30 次连续试验的反应,并绘制了与每次刺
激开始相关的曲线。
左下:单个试验的运动期间 ACh3.0 荧光的伪彩时空分布。
右下:在跑步机上以指定速度跑步时记录的小鼠 ACh3.0 荧光的代表性痕迹。

 

4 Miniature two-photon microscopy for enlarged field-of-view, multi-plane and long-term brain imaging

W. Zong, R. Wu, S. Chen, J. Wu, H. Wang, Z. Zhao, et al.
Nat Methods 2021 Vol. 18 Issue 1 Pages 46-49, DOI: 10.1038/s41592-020-01024-z
Impact Factor 47.99

这篇文章报道了一种配备轴向扫描结构和长工作距离微型物镜的微型双光子显微镜,以实现420 x 420 x
180µm3体积的多平面成像,横向分辨率约为1µm。该微型双光子显微镜结合可拆卸的设计,允许长期重
复成像,以用于破译自由行为动物的神经元机制。

左:FHIRM-TPM 2.0 微型化探头示意图、
右:清醒的头固定小鼠中表达 GCaMP6s 的 FrA 神经元的 z 堆栈投影。成像体积为 420×420×180µm3。虚线框显示 FHIRMTPM1.0 的 FOV 大小.

 

5 Itch perception is reflected by neuronal ignition in the primary somatosensory cortex

X. J. Chen, Y. H. Liu, N. L. Xu and Y. G. Sun
Natl Sci Rev 2022 Vol. 9 Issue 6 Pages nwab218, DOI: 10.1093/nsr/nwab218
Impact Factor: 23.178

在瘙痒信号处理过程中,包括初级躯体感觉皮层(S1)在内的多个皮层区域被激活,但瘙痒感知的机制
仍然未知。使用自由运动小鼠的新型微型双光子显微成像,该论文研究了S1中瘙痒感知的神经编码。作
者发现,S1的药理学失活消除了瘙痒诱导的抓挠行为,并且,瘙痒诱导的抓挠行为可被位于S1 2/3层的某
一锥体神经元亚群的神经活性所预测。这项研究通过建立一种新的基于光遗传学和微型化显微成像的研究
范式,揭示了S1中瘙痒感知编码的神经机制,从而为研究自由运动动物在单个神经元水平上的瘙痒感知
皮层表征奠定基础。

左上:佩戴微型化双光子探头的自由移动小鼠同时钙成像和抓挠行为记录示意图
右上:佩戴微型化双光子探头的自由移动小鼠 S1Tr 中标记有 GCaMP6s 的 2/3 层神经元的图像
左下:皮内注射氯喹后成像过程中的一个示例视野(FOV)。
右下:上方蓝色展示皮内注射氯喹后,一只小鼠在 450 秒成像期间的行为轨迹。下方展示四个代表性 S1Tr 锥体神经元的钙痕
迹。橙色阴影表示刮擦的时间。

 

6 Functional network topography of the medial entorhinal cortex

H. A. Obenhaus, W. Zong, R. I. Jacobsen, T. Rose, F. Donato, L. Chen, et al.
Proc Natl Acad Sci U S A 2022 Vol. 119 Issue 7, DOI: 10.1073/pnas.2121655119
Impact Factor: 12.779

内侧内嗅皮层(MEC)创建局部空间地图,是基于网格、头部方向(HD)、边界和对象向量(OV)细胞
的发放模式。这些细胞类型在解剖学上是如何组织的,目前仍有争议。对这个问题的深入分析需要收集大
量神经元在无约束行为期间的精确解剖学和活动数据,而电生理学和以往的成像方法都无法完全提供这些
数据。本研究使用微型化双光子显微镜对旷场实验中自由运动的小鼠成像,检测MEC浅层和邻近枕骨旁
的空间调制神经元的地形排列。网格细胞表现出与OV细胞的低水平共现,并在解剖学上聚集,而边界、
HD和OV细胞倾向于混合。这些数据表明,网格细胞网络可能在很大程度上不同于边界、HD和OV细胞,
并且网格细胞之间表现出强耦合,但与其他细胞类型的联系较弱。

左:GCaMP 表达和 tdTomato 表达的脑切片示意图
右:一次旷场实验成像的最大强度投影示例,共检测到 213 个细胞。彩色区域显示提取的细胞子集,20 个示例细胞的荧光和去
卷积滤波信号,以及阴影区域放大图

 

7 In situ multimodal transparent electrophysiological hydrogel for in vivo miniature two-photon neuroimaging and electrocorticogram analysis

W. Wei, M. Hao, K. Zhou, Y. Wang, Q. Lu, H. Zhang, et al.
Acta Biomater 2022 Vol. 152 Pages 86-99, DOI: 10.1016/j.actbio.2022.08.053
Impact Factor: 10.633

水凝胶广泛应用于神经组织修复,具有良好的组织相容性。然而,水凝胶在与神经信号记录相关的应用中
仍然存在挑战,这需要类似组织的生物力学特性、高光传输和低阻抗。这篇文章描述了一种高度生物相容
性且具有低杨氏模量(0.15MPa)的透明水凝胶,在 300nm 至 1100nm 波长下具有高达 93.35%的透射
率,可应用于双光子成像。文中利用这种柔性多峰透明电生理水凝胶(MTEHy)电极,通过微型双光子
显微镜记录神经元 Ca2+活性。

a-d.MTEHy-3 电极用作双光子神经成像的示意图及验证 GCaMP6m 表达。。
e,在自由移动的小鼠中比较通过传统玻璃板(左)或 MTEHy-3 水凝胶(右)的颅骨窗的神经成像。绿色荧光表明神经元 Ca2+
信号活性。

 

8 Dynamics of a disinhibitory prefrontal microcircuit in controlling social competition

C. Zhang, H. Zhu, Z. Ni, Q. Xin, T. Zhou, R. Wu, et al.
Neuron 2022 Vol. 110 Issue 3 Pages 516-531 e6, DOI: 10.1016/j.neuron.2021.10.034
Impact Factor: 18.688

社会竞争在决定个人的社会地位方面起着关键作用。虽然背内侧前额叶皮层(dmPFC)在调节社会竞争
中至关重要,但仍不清楚其局部网络信息是如何处理的。该项研究利用优势管实验发现获胜行为与血管活
性肠多肽(VIP)顺序启动的锥体(PYR)神经元和细小白蛋白(PV)中间神经元的钙活动相关。在清醒
小鼠中使用微型双光子显微镜(MTPM)和光学记录,发现VIP刺激直接导致PYR和PV神经元快速抑制后
激活的两阶段活动模式。PV的延迟激活意味着嵌入式反馈调控。这种去抑制VIP-PV-PPYR基序形成了
dmPFC微环路的核心,以控制社会竞争行为。

左:快速高分辨率微型双光子显微镜实验示意图
右:小鼠 dmPFC 中的 GRIN 透镜和双色成像图

 

9 Visualizing Seizure Propagation in Freely-moving Mice via Miniature Twophoton Microscopy

Z. Zhang, S. Jiang, K. Shi, Y. Li, W. N. Jin, Q. Liu, et al.
Neurosci Bull 2022, DOI: 10.1007/s12264-022-00947-1
Impact Factor: 5.21

文中报道了多模态地利用快速高分辨率的微型化双光子显微镜(FHIRM-TPM),结合脑电图(EEG)记
录和行为评估,研究自由活动小鼠注射红藻氨酸诱发癫痫发作的开始和传播。

左:用 FHIRM–TPM 表征 KA 诱导的扩展去极化(SD)波。FHIRM–TPM 观察下 SD 波的整个过程。上排:FHIRM–TPM 对 SD 扩散的神经元放
电成像。下排:每个时间点对应的神经元活动。
右:SD 期间神经元活动总体外观的矢量图。

 

10 Encoding of social novelty by sparse GABAergic neural ensembles in the prelimbic cortex

Z. Zhao, F. Zeng, H. Wang, R. Wu, L. Chen, Y. Wu, et al.
Sci Adv 2022 Vol. 8 Issue 35 Pages eabo4884, DOI: 10.1126/sciadv.abo4884
Impact Factor: 14.957

尽管前边缘皮层(PrL)区域与社会行为相关,但调节社交偏好的神经系统仍然未知。该研究使用微型双
光子显微镜(mTPM)观察自由行为小鼠PrL与社会行为相关的神经元活动,发现GABA能神经元的Ca2+
瞬变与社会行为的相关性比谷氨酸能神经元的更高。该研究进一步鉴定了PrL中GABA能中间神经元稀疏
分布的NewPNs和OldPNs,它们分别优先负责新的和旧的小鼠探索行为。

左:安装在鼠标头上的 mTPM 示意图。mTPM 透镜的设置由黑色虚线方形表示。
中:两个探测室显示小鼠运动的示意图。
右:小鼠运动过程中神经细胞钙活动热图。

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作          者: 泮桥成像光电商城

出          处: https://www.ipanqiao.com/article/9500

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