[論文レビュー] Functional optoacoustic neuro-tomography (FONT) for whole-brain monitoring of calcium indicators

Gali Sela, Antonella Lauri+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2015

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging参考文献 24被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、生きたショートフィッシュの全脳におけるカルシウム動態を、70 μm未満の空間分解能と1秒間に100体積フレームの速度で、非侵襲的かつリアルタイムにモニタリング可能な、機能的オプトアコースティック神経トモグラフィー（FONT）を紹介する。本技術は、オプトアコースティック検出法と遺伝的にコードされたカルシウムインジケーター（GCaMP5G）を組み合わせることで、脳組織内の光の散乱を克服し、固定および自由に泳ぐ個体の両方において、深部組織の神経活動を非侵襲的に機能的イメージング可能にする。

ABSTRACT

Non-invasive observation of spatiotemporal neural activity of large neural populations distributed over entire brains is a longstanding goal of neuroscience. We developed a real-time volumetric and multispectral optoacoustic tomography platform for imaging of neural activation deep in scattering brains. The system can record 100 volumetric frames per second across a 200mm3 field of view and spatial resolutions below 70um. Experiments performed in immobilized and freely swimming larvae and in adult zebrafish brains demonstrate, for the first time, the fundamental ability to optoacoustically track neural calcium dynamics in animals labeled with genetically encoded calcium indicator GCaMP5G, while overcoming the longstanding penetration barrier of optical imaging in scattering brains. The newly developed platform offers unprecedented capabilities for functional whole-brain observations of fast calcium dynamics; in combination with optoacoustics' well-established capacity in resolving vascular hemodynamics, it could open new vistas in the study of neural activity and neurovascular coupling in health and disease.

研究の動機と目的

• 生体における高空間・時間分解能を実現した、非侵襲的で全脳モニタリング可能な神経活動の可視化を可能にする。
• 散乱性脳組織における従来の光学顕微鏡の透過深度制限を克服する。
• 遺伝的にコードされたインジケーターを用いて、高速カルシウム動態を追跡可能なリアルタイムボリュームイメージングシステムの開発。
• 健常な脳において、神経活動と血流の同時モニタリングを可能にする機能的オプトアコースティックトモグラフィーの実証。

提案手法

• 本システムは、組織からの光誘発音波を検出することで深部組織イメージングを可能にする、マルチスペクトルオプトアコースティックトモグラフィー（MSOT）を採用している。
• 神経活動の報告に蛍光変化を示す遺伝的にコードされたカルシウムインジケーターGCaMP5Gをショートフィッシュの神経細胞に発現させた。
• カスタムオプトアコースティックプローブとアレイ型超音波検出器を用いて、200 mm³の視野を1秒間に100体積フレームの速度で走査した。
• スペクトルアンミックス処理を適用し、カルシウムインジケーターとヘモグロビンなどの内因性クロモフォアからの信号を分離した。
• リアルタイムでの画像再構成とデータ処理を統合することで、神経集団の動的モニタリングを可能にした。
• イメージングの有効性を検証するため、固定および自由に泳ぐショートフィッシュの幼体を用いた生体内評価を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い光の散乱がある中で、オプトアコースティックトモグラフィーは生きたショートフィッシュの全脳カルシウム動態をリアルタイムでボリュームイメージング可能か？
• RQ2 神経活動マップのためのオプトアコースティックイメージングにおいて、深部脳領域での達成可能な空間分解能と時間分解能は何か？
• RQ3 本システムは、健常な生体脳において、神経カルシウム信号と血行動態変化を同時に解像可能か？
• RQ4 散乱組織において、FONTプラットフォームは従来の光学手法と比較してどのように性能を発揮するか？
• RQ5 MSOTを用いて、高精度で自由に動く生物における高速神経動態を追跡することは可能か？

主な発見

• FONTプラットフォームは、200 mm³の視野において1秒間に100フレームのボリュームイメージングレートを達成した。
• 空間分解能は70 μm未満であり、神経集団活動の詳細なマップ作成が可能である。
• 固定および自由に泳ぐショートフィッシュの幼体の脳において、GCaMP5Gを発現させた神経細胞のカルシウム動態が成功裏に追跡された。
• 本システムは、散乱組織における光学イメージングの透過障壁を克服し、深部組織の機能的イメージングを可能にした。
• 神経カルシウム信号と血行動態反応の同時解像が実証され、神経血管カップリング研究の支援が可能となった。
• 本研究は、生体において遺伝的にコードされたカルシウムインジケーターの全脳リアルタイムオプトアコースティックモニタリングを初めて実現した。