[转帖]静止的快速3D扫描显微技术

静止的快速3D扫描显微技术
消息来源：www.lifeomics.com

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      无需移动组成部件的3D激光扫描显微镜，可以帮助研究人员在细胞及亚细胞水平进行更加广泛的有关快速神经信号传导的体内研究。

 

       由于神经信号传导速度非常之快，而且机体神经元细胞具有十分复杂的三维（3D）结构，彼此间构成错综复杂的神经网络，使得对神经功能进行体内研究变得极为 困难。传统的激光扫描显微镜的速度，不足以用于对神经信号进行3D成像。尽管科学家曾采用各种巧妙的办法提高这一速度，但这些方法大多依赖于光栅扫描镜、 显微镜物镜和生物样本相协调而进行的机械运动。

 

       但是，物体运动的速度只能提高到一定的限度，因此也就将这些以惯性为基础的显微镜系统的成像速度限制在了100赫兹（Hz）以下。尽管这一速度已经可以满 足很多有价值的生物学实验的要求，但是，科学家们仍然期望能够将成像速度提高到千赫兹级，从而更加有效地对多位点的物理运动进行同时测量。

 

       最近几年，在这一领域已经取得了一些进展，比如不以惯性为基础的声光偏转器（AODs）的出现。AODs是采用固定频率的声波对激光扫描显微镜产生的激发 激光的偏转（deflection）进行控制。上文提到的以惯性为基础的显微系统，只能局限于将光速沿着待测样本内连续的路径进行引导。而AOD为基础的 扫描成像则不局限于此。因为以AOD为基础的系统是通过声波频率对光束偏转方向进行控制的，因此，可以即刻调节光束的偏转距离。使用者可以选择对连续路径 进行扫描，或采取“随机扫描”的模式，直接跳到某一点进行测量，对改为点进行检测的时间长短也随使用者而定。

 

       来自贝勒医学院（Baylor College of Medicine）的Peter Saggau实验室是使用AODs设备显微镜的几个前驱研究团体之一。之前的大多数研究工作中，科学家们往往采用一对AODs进行横向扫描。但是在 2005年，Saggau发表文章阐述了AODs并非只能局限于横向扫描（(Reddy&Saggau, 2005)。通过将不断改变频率的抗传播声波应用于一对AODs中，Saggau和Reddy成功研制出了可变焦的圆柱状透镜，从而可以对扫描光束的纵向 焦点位置进行控制。实验发现，可以同时采用两对分别为横向和纵向的AODs进行扫描，两者不会相互干扰。

       为了证明上述扫描显微镜的功效，他们研制出了一种包含四个AODs的3D扫描系统的随机扫描多光子显微镜（random-access multiphoton microscope），并用其对海马大脑组织切片中经染料标记的锥体细胞进行高速3D成像（Reddy et al., 2008)。他们把基于AOD的目标轴向运动的横向扫描显微镜的成像性能与完全以AOD为基础的3D扫描成像性能进行比较，发现两者间只有很小的差别。

 

       当然，如果只是对静止的神经元细胞进行三维成像，并不需要那么高的速度。上述新技术的价值在于可以对处于研究人员想要进行测定的时间点的快速运动中的神经 元进行多个信号的扫描成像。为了验证该系统这一性能，研究者用钙离子染料对神经元进行填充，最终获得神经元完整的3D图像。这样，他们就可以沿神经元树突 选取感兴趣的点进行扫描，通过诱发神经元细胞内的动作电位，以高达10千赫（kHz）的速度对特定位点的钙离子反应进行测量。结果发现，在距离神经元越远 的位点，其钙离子反应强度越低（图1）。

 

       目前，在使用高倍镜时，该系统的有效轴向距离上限为50μm，因此其多光子激光的全部性能还有待进一步挖掘利用。Saggau表示，目前已经开始进行相关 的技术改进，相信会极大地提高系统轴向距离。由于此系统在目前已经具有极大应用价值，一旦突破上述局限，该系统一定会成为对受损大脑进行神经信号扫描检测 的一个有力工具。

 

图 1 随机扫描多光子显微镜对树突状钙离子信号进行快速3D成像。
图片来源：Nature Neuroscience

筱玥/编译

原文检索：www.nature.com

 

 

参考文献
1.Reddy, G.D. & Saggau, P. Fast three-dimensional laser scanning scheme using
acousto-optic deflectors. J. Biomed. Opt. 10, 064038 (2005).
2.Reddy, G.D. et al. Three-dimensional random access multiphoton microscopy for
functional imaging of neuronal activity. Nat. Neurosci., 11, 713–720 (2008).

 

关键词：声光偏转器
Key words：AODs