用8K相机清晰测量活体小鼠的大脑活动

新产品 · 新服务 2018年06月05日
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日本东京大学研究生院医学系教授松崎政纪、日本自然科学研究机构生理学研究所副教授小林宪太及埼玉大学教授中井淳一等人组成的联合研发小组,全球首次将8K超高清相机用于脑神经活动测量,成功从运动中的小鼠大脑皮质中测量到了名为“轴突终末”神经细胞的活动。使用的8K相机为3300万像素,相当于以往高清相机的16倍。此次的研究成果已发表在科学杂志《Scientific Reports》上。

近年来,随着“钙成像技术”的发展,已经能以几百甚至几千为单位测量活体小鼠的脑神经细胞活动,该技术的基本原理是把活体大脑中神经细胞内的钙离子浓度作为光信号来测定。利用这项技术还可以测量轴突终末结构的细胞活动。轴突终末相当于神经细胞向其他神经细胞传递信息的突触部位的前部,所以由此还能查明大脑中的神经细胞向其他细胞传递了什么信息。

但一般来说,钙成像技术的测量对象——神经细胞的细胞体直径约为10μm,而轴突终末的体积更小,直径只有0.5μm左右。钙成像技术通常使用的双光子显微镜是通过一束激光依次扫描视场各处,因此很难在大范围内高速测量直径仅0.5μm左右的轴突终末的活动(图1)。有时一个轴突上的轴突终末会分布在1mm以上的大范围内,这一范围相当于轴突终末体积的2000倍,因此需要开发能应对这种大范围的成像技术。

双光子激发显微镜与转盘式共聚焦显微镜

图1. 双光子激发显微镜与转盘式共聚焦显微镜

此次的研发小组使用将激光分割成1,000多束来扫描整个画面的转盘式共聚焦显微镜,并配以能进一步高速获得高清视频的8K超高清相机,新开发了8K转盘式共聚焦显微镜。8K超高清相机的分辨率是高清相机的16倍,像素数高达3300万,其密度接近人类的视网膜,不仅是广播电视用途,在内窥镜手术等医疗领域的应用也备受期待(图2)。研发小组通过在小鼠大脑的视丘部位导入荧光蛋白,实施了由位于视丘的神经细胞向大脑皮质运动区进行投射的轴突终末成像。通过组合使用转盘式共聚焦显微镜和8K超高清相机,虽然视野相当于以往的双光子显微镜的25倍,成功实现了2倍的高速拍摄(图3)。此外,通过对实际测量的情况进行解析,还成功测量出了远在1mm以外的轴突终末的同期活动(图4)。

K超高清相机的像素数是全高清相机的16倍,是4K相机的4倍

图2. 8K超高清相机的像素数是全高清相机的16倍,是4K相机的4倍。

利用8K转盘式共聚焦显微镜拍摄的向大范围投射的轴突终末的成像

图3. 利用8K转盘式共聚焦显微镜拍摄的向大范围投射的轴突终末的成像

捕捉到了1mm以外远的轴突终末同期的活动

图4. 捕捉到了1mm以外远的轴突终末同期的活动

文 客观日本编辑部

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