在体多光子显微镜方案

时间:2023年04月04日 来源:

与传统的单光子宽视野荧光显微镜相比,多光子显微镜具有光学切片和深层成像等功能,这两个优势极大地促进了研究者们对于完整大脑深处神经的了解与认识。2019年,JeromeLecoq等人从大脑深处的神经元成像、大量神经元成像、高速神经元成像这三个方面论述了相关的MPM技术。想要将神经元活动与复杂行为联系起来,通常需要对大脑皮质深层的神经元进行成像,这就要求MPM具有深层成像的能力。激发和发射光会被生物组织高度散射和吸收是限制MPM成像深度的主要因素,虽然可以通过增加激光强度来解决散射问题,但这会带来其他问题,例如烧坏样品、离焦和近表面荧光激发。增加MPM成像深度比较好的方法是用更长的波长作为激发光。多光子激光扫描显微镜采用波长较长的红外激光,能量脉冲式激发,红外光比可见光在生物组织中的穿透力更强。在体多光子显微镜方案

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对于两个远距离(相距1-2mm以上)的成像部位,通常采用两个**的路径进行成像;对于相邻区域,通常使用单个物镜的多个光束进行成像。多光束扫描技术必须特别注意激发光束之间的串扰,这可以通过事后光源分离或时空复用来解决。事后光源分离法是指分离光束以消除串扰的算法;时空复用法是指同时使用多个激发光束,每个光束的脉冲在时间上被延迟,使不同光束激发的单个荧光信号可以暂时分离。引入的光束越多,可以成像的神经元越多,但多束会导致荧光衰减时间重叠增加,从而限制了分辨信号源的能力;并且复用对电子设备的工作速度要求很高;大量的光束也需要较高的激光功率来维持单束的信噪比,这样容易导致组织损伤。美国离体多光子显微镜暗场成像多光子显微镜作为一种研究微观结构和功能的技术,在众多领域得到了普遍的应用。

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    现代分子生物学技术的迅速发展和科技的进步,特别是随着后基因组时代的到来,人们已经能够根据需要建立各种细胞模型,为在体研究基因表达规律、分子间的相互作用、细胞的增殖、细胞信号转导、诱导分化、细胞凋亡以及新的血管生成等提供了良好的生物学条件。然而,尽管人们利用现有的分子生物学方法,已经对基因表达和蛋白质之间的相互作用进行了深入、细致的研究,但仍然不能实现对蛋白质和基因活动的实时、动态监测。在细胞的生理过程中,基因、尤其是蛋白质的表达、修饰和相万作用往往发生可逆的、动态的变化。目前的分子生物学方法还不能捕获到蛋白质和基因的这些变化,但获取这些信息对与研究基因的表达和蛋白质之间的相互作用又至关重要。因此,发展能用于、动态、实时、连续监测蛋白质和基因活动的方法非常必要。

多束扫描技术可以同时对神经元组织的不同位置进行成像。该技术:对于两个远程成像位置(相距1-2mm以上),通常采用两个**的路径进行成像;对于相邻区域,通常使用单个物镜的多个光束进行成像。多光束扫描技术必须特别注意激发光束之间的串扰,这可以通过事后光源分离或时空复用来解决。事后光源分离法是指分离光束以消除串扰的算法;时空复用法是指同时使用多个激发光束,每个光束的脉冲在时间上被延迟,使不同光束激发的单个荧光信号可以暂时分离。引入的光束越多,可以成像的神经元越多,但多束会导致荧光衰减时间重叠增加,从而限制了分辨信号源的能力;并且复用对电子设备的工作速度要求很高;大量的光束也需要较高的激光功率来维持单束的信噪比,这样容易导致组织损伤。多光子显微镜市场集中,由于投产生产的成本较高,技术难度大,目前涌现的新企业不多。

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多光子显微镜成像深度深、对比度高,在生物成像中具有重要意义,但通常需要较高的功率。结合时间传播的超短脉冲可以实现超快的扫描速度和较深的成像深度,但近红外波段的光本身会导致分辨率较低。基于多光子上转换材料和时间编码结构光显微镜的高速超分辨成像系统(MUTE-SIM)是由清华大学教授和北京大学彭研究员合作开发的。可实现50MHz的超高扫描速度,突破衍射极限,实现超分辨率成像。与普通荧光显微镜相比,该显微镜经过改进,只需要较低的激发功率。这种超快、低功耗、多光子超分辨率技术在高分辨率生物深层组织成像中具有长远的应用前景。多光子激光扫描显微镜已经成为了一个活跃且多产的领域。Ultima 2P Plus多光子显微镜实验操作

多光子显微镜之类的先进光学技术能够在活生物体的大脑表面下更深地成像。在体多光子显微镜方案

对于双光子(2P)成像,散焦和近表面荧光激发是两个相对较大的深度限制因素,而对于三光子(3P)成像,这两个问题**减少。  然而,由于荧光团的吸收截面远小于2P,三光子成像需要更高的脉冲能量才能获得与2P相同激发强度的荧光信号。  功能性3P显微镜比结构性3P显微镜要求更高,后者需要更快的扫描速度以便及时采样神经元活动。  为了在每个像素的停留时间内收集足够的信号,需要更高的脉冲能量。  复杂的行为通常涉及大规模的大脑神经网络,这些网络既有本地连接,也有远程连接。  为了将神经元的活动与行为联系起来,需要同时监测* * *分布的超大型神经元的活动。  大脑中的神经网络将在几十毫秒内处理输入的刺激。  为了理解这种快速神经元动力学,MPM需要快速成像神经元的能力。  快速MPM方法可分为单束扫描技术和多束扫描技术。  在体多光子显微镜方案

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