[發(fā)明專利]一種用于監(jiān)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熒光顯微成像系統(tǒng)和方法

有效

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• 申請日: 2013-04-28
• 公開（公告）號: CN103278483A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳鈺祥;李超英
• 申請（專利權(quán)）人: 江漢大學(xué)
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 北京三高永信知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11138
• 代理人: 徐立

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及成像系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種用于監(jiān)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熒光顯微成像系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

神經(jīng)系統(tǒng)是調(diào)節(jié)和控制生命活動的最高中樞，神經(jīng)元是構(gòu)成神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。神經(jīng)元的基本功能是接受刺激并將興奮整合之后，以動作電位的方式傳送到另一個神經(jīng)元。每個神經(jīng)元都與其他神經(jīng)元相互連接形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。大腦的許多高級功能如認(rèn)知形成，記憶的儲存和恢復(fù)等都是由特定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來完成，因此研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于探索未知的大腦具有十分重要的意義。

目前常用的研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法是熒光成像方法，在該方法中，首先使用熒光染料標(biāo)記神經(jīng)元，當(dāng)神經(jīng)元接受刺激并以動作電位的方式傳送興奮時，熒光的強度會發(fā)生變化，此時通過熒光顯微成像系統(tǒng)，可以觀察到熒光強度的變化，從而獲知神經(jīng)元的活動。現(xiàn)有的熒光顯微成像系統(tǒng)通常采用LSCM（Laser?Scanning?Confocal?Microscope，激光掃描共聚焦顯微鏡），LSCM包括共軛聚焦的光源針孔和檢測針孔、激光器、分光鏡、掃描振鏡、物鏡、載物臺、以及PMT（Photomultiplier?Tube，光電倍增管）。激光器發(fā)出的激光依次通過光源針孔、分光鏡、掃描振鏡、物鏡和載物臺上的被熒光染料標(biāo)記的神經(jīng)樣品，熒光染料受到激發(fā)發(fā)出熒光，熒光依次通過物鏡、掃描振鏡、分光鏡、檢測針孔、PMT。當(dāng)神經(jīng)樣品接收刺激時，PMT可以檢測到強度變化的熒光信號，從而監(jiān)測神經(jīng)元的活動。

在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題：

掃描振鏡是對載物臺上的神經(jīng)樣品進(jìn)行逐點掃描，掃完整個樣品所需的時間（秒級）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于神經(jīng)元活動的時間（毫秒級），因此并不能在神經(jīng)元的活動時間內(nèi)對所有的神經(jīng)樣品進(jìn)行掃描，獲知所有神經(jīng)元的活動。如果減少掃描范圍，可以進(jìn)行研究的神經(jīng)元就會十分有限，無法滿足對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究需求。而且掃描時，所有的光子會集中在樣品的一點上，該點的光子密度較大，會導(dǎo)致樣品中的熒光很快被光漂白，并帶來光毒性，無法進(jìn)行長時間檢測。另外，在對多色熒光標(biāo)記的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行熒光成像時，共聚焦成像系統(tǒng)在實現(xiàn)上需要進(jìn)行不同波長激發(fā)光和濾光片的切換，而切換過程依靠機械或機電裝置進(jìn)行，切換時間慢（秒級），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過神經(jīng)元的活動時間，無法實現(xiàn)多色熒光標(biāo)記的神經(jīng)樣品的快速成像。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)掃描時間長、不能長時間檢測、以及無法實現(xiàn)多色熒光標(biāo)記的神經(jīng)樣品快速成像的問題，本發(fā)明實施例提供了一種用于監(jiān)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熒光顯微成像系統(tǒng)和方法。所述技術(shù)方案如下：

一方面，本發(fā)明實施例提供了一種用于監(jiān)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熒光顯微成像系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括光源和顯微鏡，所述顯微鏡包括物鏡和用于承載標(biāo)記有熒光染料的神經(jīng)樣品的載物臺，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括：

控制裝置；

濾波器，用于在所述控制裝置的控制下，調(diào)節(jié)透過所述濾波器的光的波長和通光時間；

光電探測器，用于在所述控制裝置的控制下進(jìn)行寬場成像；

所述濾波器、所述顯微鏡和所述光電探測器依次位于所述光源的光路上，所述控制裝置分別與所述濾波器和所述光電探測器電連接。

可選地，所述濾波器為聲光可調(diào)諧濾波器或電光可調(diào)諧濾波器。

可選地，所述光電探測器為光電二極管陣列、電荷耦合元件或者互補金屬氧化物半導(dǎo)體。

可選地，所述控制裝置包括計算機和數(shù)據(jù)采集卡，所述計算機和所述數(shù)據(jù)采集卡電連接，所述數(shù)據(jù)采集卡分別與所述濾波器、所述光電探測器電連接。

可選地，所述系統(tǒng)還包括顯示裝置，所述顯示裝置和所述光電探測器電連接。

另一方面，本發(fā)明實施例提供了一種用于監(jiān)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熒光顯微成像方法，適用于監(jiān)測標(biāo)記有熒光染料的神經(jīng)樣品，所述熒光染料包括第一熒光染料，所述方法包括：

在第一時間段內(nèi)，將濾波器的可透過的光的波長范圍調(diào)節(jié)為第一波長范圍，以獲得波長在所述第一波長范圍內(nèi)的光，采用波長在所述第一波長范圍內(nèi)的光照射所述神經(jīng)樣品，同時對所述第一熒光染料受激產(chǎn)生的熒光進(jìn)行寬場成像，所述第一波長范圍包括激發(fā)所述第一熒光染料的中心波長；

在第二時間段內(nèi)，將所述濾波器調(diào)節(jié)為不可透過光，以使所述第一熒光染料在所述第二時間段內(nèi)得到恢復(fù)。

可選地，所述熒光染料還包括第二熒光染料，所述方法還包括：