[發明專利]全景旋轉內窺雙光子顯微成像系統

在審

• 申請號: 202111047059.2
• 申請日: 2021-09-07
• 公開（公告）號: CN113796832A
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發明（設計）人: 唐玉國;李敏;周鎮喬;呂晶;王艷;陳月巖;賈宏博
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所
• 主分類號: A61B5/00
• 分類號: A61B5/00;G02B21/00
• 代理公司: 北京遠大卓悅知識產權代理有限公司 11369
• 代理人: 楊明霞

本發明公開了一種全景旋轉內窺雙光子顯微成像系統，包括：近紅外飛秒脈沖激光器、主機、成像探頭組件和軸向掃描裝置，所述成像探頭組件包括旋轉輸出單元以及旋轉驅動單元；所述旋轉輸出單元植入到動物的腦組織中，用于將飛秒脈沖激光導入腦組織，并收集腦組織被激發而產生的熒光。本發明將高速旋轉掃描與微型內窺雙光子成像系統結合，提出了一種能特別適用于靈長類較大型動物的全景內窺雙光子顯微成像系統，通過將成像探頭組件的旋轉輸出單元置入到腦組織，藉由360度環形柱面掃描能實現所觀察腦區內360度全景成像，藉由軸向掃描進行不同深度的探測，能實現從深腦區到腦皮層管道所覆蓋連續多個腦功能區的神經活動觀測。

技術領域

本發明涉及顯微成像技術領域，特別涉及一種全景旋轉內窺雙光子顯微成像系統。

背景技術

目前，介觀神經環路研究日益成為健康和疾病中大腦功能研究的關鍵點。在過去十幾年中，支持介觀神經環路研究的新方法和新技術取得迅速發展，比如光學鈣成像和光遺傳學技術，迅速成為神經環路科學研究的中流砥柱。光學鈣成像能夠以高采樣密度記錄大量遺傳或解剖學定義的神經元細胞，并且可以隨著時間推移在縱向跟蹤單個神經元。這種強大的光學成像能力已在小鼠動物模型中取得巨大的成功，并促進腦神經科學家深入理解大腦基本功能而提出新的獨特見解。然而，為了研究更復雜的或者與臨床疾病相關的人類行為和認知過程中神經元活動和神經網絡是如何發揮作用的，仍然迫切需要將這些新技術應用到與人類相關的大型動物模型物種上，即，大腦結構和功能以及復雜的認知和行為能力與人類高度相似的非人類靈長類動物物種上。

只有活的、在體的大腦才具備認知、學習、記憶等獨特的高等智能功能，而死去、離體的大腦則不具備。因此，在活體大腦中以單個神經細胞精度觀測和操控神經細胞活動信號的技術，構成了現代腦科學儀器技術的前沿主體。在諸多使用熒光標記物的高分辨光學顯微成像技術之中，雙光子成像技術具有天然的層析成像能力、亞微米級別的空間分辨率和毫秒級別的實時性，而且穿透深度可以達到近1mm，是當前動物在體神經活動信號研究的最佳方法之一。

最近，在非人類靈長類動物上，基于GCaMP系列熒光蛋白的雙光子鈣成像克服了一些技術上挑戰。然而，絕大多數技術挑戰的克服主要是基于臺式雙光子工作范式進行的，這種成像方式不可避免地還存在一些技術上的不足，包括:(1)透明玻璃窗口存在感染風險，隨著時間推移，光學清晰度下降，成像周期縮短，需要日常維護；(2)為了維持長時間在一個穩定的視野內最終神經元活動信息，需要繁瑣的顯微鏡校準；(3)無法對深度大于500μm的腦皮層、甚至大腦深度的腦回溝皮層或皮層下結構進行成像；(4)無法用單一激光掃描光束真正實現多個大腦區域的同時測量；(5)需要頭部固定約束，從而限制了動物可執行的認知行為。

為了克服上述臺式雙光子成像方式在自由行為動物模型研究中存在的局限性，將雙光子成像系統進行微型化和集成化，構建成為易拆裝的頭戴式光學成像系統是破解上述難題的關鍵。首先，頭戴式微型光學成像探頭非常適合自由行為活動動物神經活動研究，特別是大型的非人靈長類動物模型；其次，通過特殊的機械設計，可以在重復過程準確地對準同一個成像區域進行觀察；最后，簡易的安裝、拆卸和日常維護，非常適合對同一區域長時間重復觀察。典型的代表性研究成果是：2017年，北京大學程和平院士團隊研制的微型化雙光子顯微鏡FHIRM-TPM，目前的FHIRM-TPM2.0可以在視場420μm×420μm范圍內，對自由活動小鼠實現了分辨率達亞微米級的神經元實時動態成像。然而，該方法仍然利用透明窗口對神經元活動進行觀察，因此，其觀察范圍仍然無法超越腦皮層以下500μm的深度限制，無法實現對大腦深層神經元成像，目前，該技術方案僅成功應用于小鼠動物模型上，還未成功應用于非人靈長類動物模型的研究中。