活體大腦中的高分辨率光學(xué)成像已成為研究動物行為背后神經(jīng)回路（neural circuits）可塑性和功能的有力工具【魇颍基因編碼的熒光指示劑和光學(xué)成像使對活體動物神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能的選擇性標(biāo)記和觀察成為可能袋坑，這改變了神經(jīng)回路的研究。此類技術(shù)需要將光聚焦到腦組織內(nèi)眯勾。由于折射率不均勻引起的隨機(jī)光散射枣宫，單細(xì)胞分辨率的功能成像探測深度通常在1 毫米的量級 。即使對于厘米級的小鼠大腦吃环，這種穿透深度也將大腦區(qū)域的光學(xué)成像限制在了淺表層也颤，因此除非采用侵入式手段，否則大部分大腦仍然無法進(jìn)行高分辨率光學(xué)成像郁轻。盡管功能磁共振成像和基于超聲的方法等宏觀和介觀成像模式可以對深層大腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像翅娶，但它們?nèi)狈斫馍窠?jīng)回路至關(guān)重要的單細(xì)胞分辨率和靈敏度。因此好唯，目前選擇在腦部插入微型光學(xué)探頭的方式實(shí)現(xiàn)細(xì)胞級分辨率深層腦成像竭沫。
Nature Methods:清晰光學(xué)匹配全景探測通道技術(shù)用于深層腦部大體積成像
技術(shù)背景：
活體大腦中的高分辨率光學(xué)成像已成為研究動物行為背后神經(jīng)回路（neural circuits）可塑性和功能的有力工具蜕提。基因編碼的熒光指示劑和光學(xué)成像使對活體動物神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能的選擇性標(biāo)記和觀察成為可能靶端，這改變了神經(jīng)回路的研究谎势。此類技術(shù)需要將光聚焦到腦組織內(nèi)。由于折射率不均勻引起的隨機(jī)光散射杨名，單細(xì)胞分辨率的功能成像探測深度通常在1 毫米的量級 脏榆。即使對于厘米級的小鼠大腦，這種穿透深度也將大腦區(qū)域的光學(xué)成像限制在了淺表層台谍，因此除非采用侵入式手段姐霍，否則大部分大腦仍然無法進(jìn)行高分辨率光學(xué)成像。盡管功能磁共振成像和基于超聲的方法等宏觀和介觀成像模式可以對深層大腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像典唇，但它們?nèi)狈斫馍窠?jīng)回路至關(guān)重要的單細(xì)胞分辨率和靈敏度镊折。因此，目前選擇在腦部插入微型光學(xué)探頭的方式實(shí)現(xiàn)細(xì)胞級分辨率深層腦成像介衔。
目前已經(jīng)開發(fā)了幾種侵入式技術(shù)用于深層腦結(jié)構(gòu)光學(xué)成像恨胚，例如上覆腦組織的切除、微型棱鏡植入炎咖、微型梯度折射率 (GRIN) 透鏡探頭及其組合赃泡。為了觀察非常深的大腦區(qū)域寒波，通常使用微型透鏡探頭，因?yàn)樗鼈儠?dǎo)致較少的組織損傷升熊。這種微型透鏡探頭通常利用 GRIN 透鏡其細(xì)長的圓柱體結(jié)構(gòu)俄烁，在腦組織深處形成焦點(diǎn)，并將光信號傳遞到外部進(jìn)行檢測级野。用于大腦深層雙光子成像的 GRIN 透鏡的高分辨率視場 (FOV) 通常約為透鏡直徑的 1/5页屠。更大的透鏡直徑可以以更多的組織損傷為代價獲取更大的 FOV。然而蓖柔，成像體積與插入體積的比率幾乎沒有變化辰企。
當(dāng)前不足：
微型光學(xué)探頭的一個缺點(diǎn)是組織探測區(qū)域小，這限制了其實(shí)際應(yīng)用時的吞吐量和成功率况鸣。例如牢贸，如果感興趣的神經(jīng)元不在探頭的成像體積內(nèi)，則需要額外的動物和手術(shù)镐捧。因此潜索，迫切需要一種能夠在更大的組織體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，從而提高成像通量懂酱、靈活性和成功率的技術(shù)帮辟。
文章創(chuàng)新點(diǎn)：
基于此，美國普渡大學(xué)的Bowen Wei(第1作者)和Meng Cui(通訊作者)等人提出了一種清晰光學(xué)匹配全景探測通道技術(shù)（Clear Optically Matched Panoramic Access Channel Technique, COMPACT）用于深層腦部大體積成像玩焰。在插入體積與 GRIN 透鏡相同的情況下由驹，COMPACT 可以使探測到的組織體積增加兩到三個數(shù)量級。
原理解析：
（1）COMPACT 的核心思想是在匹配微型GRIN透鏡的傳統(tǒng)雙光子顯微鏡基礎(chǔ)上摒棄將透鏡直接插入大腦方法昔园，并在組織中插入了一個清晰的光學(xué)匹配通道蔓榄。為了獲取圖像，將具有側(cè)視功能的成像探頭插入到通道中（類似于醫(yī)療應(yīng)用中使用的側(cè)視內(nèi)窺鏡）默刚。通過通道將成像探頭與組織隔離并提供與組織匹配的折射率甥郑，我們可以在通道內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)和移動成像探頭以對不同的大腦區(qū)域進(jìn)行成像。旋轉(zhuǎn)成像探頭可獲得通道周圍的 360 度全景視圖荤西。探頭沿通道的上下移動使我們能夠在整個插入長度內(nèi)成像澜搅。與傳統(tǒng)成像探頭只能探測尖端前部小塊區(qū)域的體積相比，COMPACT 可以在插入的通道周圍進(jìn)行大體積成像邪锌。
視頻1：雙光子成像系統(tǒng)及全深度全景雙光子成像操作勉躺。
視頻2：與瞳孔大小相關(guān)的神經(jīng)元活動的縱向多區(qū)域鈣成像。
參考文獻(xiàn)：Wei, B., Wang, C., Cheng, Z. et al. Clear optically matched panoramic access channel technique (COMPACT) for large-volume deep brain imaging. Nat Methods 18, 959–964 (2021).
DOI:https://doi.org/10.1038/s41592-021-01230-3
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