美國嚙齒類多光子顯微鏡方案

隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，特別是后基因組時代的到來，人們已經(jīng)能夠根據(jù)需要建立各種細(xì)胞模型，這為在體內(nèi)研究基因表達(dá)、分子間相互作用、細(xì)胞增殖、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、誘導(dǎo)分化、細(xì)胞凋亡和新生血管生成提供了良好的生物學(xué)條件。然而，盡管利用現(xiàn)有的分子生物學(xué)方法對基因表達(dá)與蛋白質(zhì)的相互作用進行了深入細(xì)致的研究，但仍然無法實現(xiàn)對蛋白質(zhì)和基因活性的實時動態(tài)監(jiān)測。在細(xì)胞的生理過程中，基因尤其是蛋白質(zhì)的表達(dá)、修飾和相互作用往往是可逆的、動態(tài)變化的。目前，分子生物學(xué)方法無法捕捉到蛋白質(zhì)和基因的這些變化，但獲得這些信息對于研究基因表達(dá)與蛋白質(zhì)的相互作用非常重要。因此，有必要發(fā)展一種動態(tài)、實時、連續(xù)監(jiān)測蛋白質(zhì)和基因活性的方法。顯微鏡簡史：從光到多光子顯微鏡。美國嚙齒類多光子顯微鏡方案

雙光子熒光顯微成像主要有以下優(yōu)點:a.光損傷小:雙光子熒光顯微以可見光或近紅外光為激發(fā)光，對細(xì)胞和組織的光損傷小，適合長期研究；b.穿透力強:與紫外光、可見光或近紅外光相比，穿透力強，可用于生物樣品的深入研究；c.高分辨率:由于雙光子吸收截面很小P，熒光只能在焦平面很小的區(qū)域激發(fā)，雙光子吸收被限制在焦點λ左右的體積內(nèi)；d.漂白區(qū)域很小，焦點外不發(fā)生漂白。E.高熒光收集率與共焦成像相比，雙光子成像不需要濾光片，提高了熒光收集率。采集效率的提高直接導(dǎo)致圖像對比度的提高。F.對探測光路要求低。由于激發(fā)光和發(fā)射熒光的波長差越來越大，加上自發(fā)三維濾波效應(yīng)，多光子顯微鏡對光路采集系統(tǒng)的要求遠(yuǎn)低于單光子共焦顯微鏡，光學(xué)系統(tǒng)也相對簡單。G.適用于多標(biāo)簽復(fù)合測量許多染料熒光探針的多光子激發(fā)光譜比單光子激發(fā)光譜更寬，從而可以用單一波長的激發(fā)光同時激發(fā)多種染料，獲得同一生命現(xiàn)象的不同信息，便于相互比較和補充。進口多光子顯微鏡實驗操作多光子顯微鏡在臨床前評價IA形態(tài)、細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞密度和血管形成等方面顯示出強大的作用。

對于雙光子成像而言，離焦和近表面熒光激發(fā)是兩個比較大的深度限制因素，而對于三光子（3P）成像這兩個問題大大減小，但是三光子成像由于熒光團的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高數(shù)量級的脈沖能量才能獲得與2P激發(fā)的相同強度的熒光信號。功能性3P顯微鏡比結(jié)構(gòu)性3P顯微鏡的要求更高，它需要更快速的掃描，以便及時采樣神經(jīng)元活動；需要更高的脈沖能量，以便在每個像素停留時間內(nèi)收集足夠的信號。復(fù)雜的行為通常涉及到大型的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)既具有局部的連接又具有遠(yuǎn)程的連接。要想將神經(jīng)元活動與行為聯(lián)系起來，需要同時監(jiān)控非常龐大且分布普遍的神經(jīng)元的活動，大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會在幾十毫秒內(nèi)處理傳入的刺激，要想了解這種快速的神經(jīng)元動力學(xué)，就需要MPM具備對神經(jīng)元進行快速成像的能力?？焖費PM方法可分為單束掃描技術(shù)和多束掃描技術(shù)。

Ca2+是一種重要的第二信使，在調(diào)節(jié)細(xì)胞生理反應(yīng)中起著重要作用。發(fā)展和利用雙光子熒光顯微成像技術(shù)觀測Ca2+熒光信號，可以從某些方面分析生物體或細(xì)胞的變化機制，具有重要意義。利用雙光子熒光顯微成像技術(shù)，我們可以觀察到細(xì)胞內(nèi)熒光探針標(biāo)記的Ca2*的時間和空間熒光圖像的變化，也可以觀察到一定水平或部分細(xì)胞內(nèi)(Ca2+)的熒光圖像和變化。通過對單個細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，Ca2+的分布不僅在細(xì)胞的局部區(qū)域之間是不均勻的，而且在細(xì)胞內(nèi)不同深度或?qū)哟蔚木植繀^(qū)域之間也存在不同程度的Ca2+梯度，稱為空間Ca2+梯度。多光子激光掃描顯微鏡是建立在激光掃描顯微鏡技術(shù)基礎(chǔ)上的實驗方法，三維觀察上提供更的光學(xué)切片能力。

繼首代小型化雙光子顯微鏡在國際上獲得小鼠自由行為過程中大腦神經(jīng)元和突觸的動態(tài)圖像后，我們成功研制了第二代小型化雙光子顯微鏡。它具有更大的成像視野和三維成像能力，可以清晰穩(wěn)定地對自由活動小鼠三維腦區(qū)的數(shù)千個神經(jīng)元進行成像，實現(xiàn)對同一批神經(jīng)元的一個月追蹤記錄。通過對微光學(xué)系統(tǒng)的重新設(shè)計系統(tǒng)的。微物鏡工作距離延長至1mm，實現(xiàn)無創(chuàng)成像。內(nèi)嵌可拆卸的快速軸向掃描模塊，可采集深度180微米的3D體成像和多平面快速切換的實時成像。該掃描模塊由一個快速的電動變焦透鏡和一對中繼透鏡組成，在不同深度成像時可保持放大倍率恒定。其變焦模塊重量，研究人員可根據(jù)實驗需求自由拆卸。此外，新版微型化成像探頭可整體即時拔插，極大地簡化了實驗操作，避免了長周期實驗時對動物的干擾。在重復(fù)裝卸探頭同一批神經(jīng)元時，視場旋轉(zhuǎn)角小于，邊界偏差小于35微米。未來國產(chǎn)多光子激光掃描顯微鏡替代空間大。美國嚙齒類多光子顯微鏡方案

從雙光子到三光子甚至四光子，這種非線性成像技術(shù)通常也被統(tǒng)稱為多光子顯微鏡。美國嚙齒類多光子顯微鏡方案

    對于雙光子（2P）成像而言，離焦和近表面熒光激發(fā)是兩個比較大的深度限制因素，而對于三光子（3P）成像這兩個問題大大減小，但是三光子成像由于熒光團的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高數(shù)量級的脈沖能量才能獲得與2P激發(fā)的相同強度的熒光信號。功能性3P顯微鏡比結(jié)構(gòu)性3P顯微鏡的要求更高，它需要更快速的掃描，以便及時采樣神經(jīng)元活動；需要更高的脈沖能量，以便在每個像素停留時間內(nèi)收集足夠的信號。復(fù)雜的行為通常涉及到大型的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)既具有局部的連接又具有遠(yuǎn)程的連接。要想將神經(jīng)元活動與行為聯(lián)系起來，需要同時監(jiān)控非常龐大且分布普遍的神經(jīng)元的活動，大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會在幾十毫秒內(nèi)處理傳入的刺激，要想了解這種快速的神經(jīng)元動力學(xué)，就需要MPM具備對神經(jīng)元進行快速成像的能力?？焖費PM方法可分為單束掃描技術(shù)和多束掃描技術(shù)。 美國嚙齒類多光子顯微鏡方案

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