[论文解读] Functional imaging of ganglion and receptor cells in living human retina by osmotic contrast

Clara Pfäffle, Dierck Hillmann+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2018

Retinal Development and Disorders参考文献 7被引用 5

一句话总结

本研究利用相位敏感光学相干断层扫描（OCT）检测渗透压对比，首次实现了对活体人眼视网膜光感受器与神经节细胞活动的同步功能成像。通过应用先进的运动伪影抑制与相位分析技术，作者成功解析出纳米尺度的渗透压驱动体积变化——神经节细胞的体积变化幅度仅为光感受器的十分之一，从而实现了视网膜神经元之间功能连接的映射，并提出了一个理论模型，将这些信号与神经元兴奋时离子通量引起的渗透性肿胀联系起来。

ABSTRACT

Imaging neuronal activity non-invasively in vivo is of tremendous interest, but current imaging techniques lack either functional contrast or necessary microscopic resolution. The retina is the only part of the central nervous system (CNS) that allows us direct optical access. Not only ophthalmic diseases, but also many degenerative disorders of the CNS go along with pathological changes in the retina. Consequently, functional analysis of retinal neurons could lead to an earlier and better diagnosis and understanding of those diseases. Recently, we showed that an activation of photoreceptor cells could be visualized in humans using a phase sensitive evaluation of optical coherence tomography data. The optical path length of the outer segments changes by a few hundred nanometers in response to optical stimulation. Here, we show simultaneous imaging of the activation of photoreceptor and ganglion cells. The signals from the ganglion cells are ten-fold smaller than those from the photoreceptor cells and were only visible using new algorithms for suppressing motion artifacts. This allowed us to generate a wiring diagram showing functional connections between photoreceptors and ganglion cells. We present a theoretical model that explains the observed intrinsic optical signals by osmotic volume changes, induced by ion influx or efflux. Since all neuronal activity is associated with ion fluxes, imaging osmotic induced size changes with nanometer precision should visualize activation in any neuron.

研究动机与目标

• 在接近细胞分辨率下检测并成像活体人眼视网膜的神经元活动，克服现有非侵入性功能成像技术的局限性。
• 通过检测其各自的渗透压驱动体积变化，解析光感受器与视网膜神经节细胞之间的功能连接。
• 开发并应用先进的运动伪影抑制算法，从视网膜OCT数据中提取亚波长的相位变化，尤其针对低幅度的神经节细胞反应。
• 验证一个理论模型，该模型将内在光学信号与神经元兴奋期间离子通量引起的渗透性体积变化联系起来。
• 通过检测视网膜神经元的功能改变（在形态学改变出现前）实现中枢神经系统（CNS）疾病更早的诊断。

提出的方法

• 采用全视野扫频源光学相干断层扫描（FF-SS-OCT）结合快速可调谐光源，以高时间和空间分辨率获取体积化、相位敏感的视网膜图像。
• 应用傅里叶位移定理，将A-scan中的内段/外段（IS/OS）交界处进行轴向对齐，确保相位分析的深度参考一致。
• 通过特定视网膜层之间的相位差计算光程长度（OPL）变化：光感受器为IS/OS与外段尖端之间，神经节细胞为神经节细胞层（GCL）与内网状层（IPL）之间。
• 基于相位噪声最小化（相位差直方图标准差最低）的参考体积选择策略，以减少GCL中由脉动引起的运动伪影。
• 应用横向高斯滤波与刺激周期内的时间平均，以提高相位数据的信噪比。
• 采用相位展开与基于模型的背景相位漂移校正，以从非刺激相关的相位变化中分离出真实的神经元响应信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用相位敏感OCT以纳米尺度精度在体成像人眼视网膜神经节细胞的功能活动？
• RQ2 视网膜神经元中渗透压驱动的体积变化是否与神经元激活相关，如理论模型所预测？
• RQ3 能否有效抑制由眼搏动与微跳动引起的运动伪影，以解析神经节细胞中的亚波长OPL变化？
• RQ4 能否基于其内在光学信号的时间与空间相关性，映射光感受器与神经节细胞之间的功能连接？
• RQ5 观察到的视网膜内在光学信号是否源于神经元活动期间离子通量引起的渗透性体积变化？

主要发现

• 本研究成功检测到光感受器外段的OPL变化，响应光刺激，与先前研究结果高度一致，且精度极高。
• 神经节细胞反应的信号幅度约为光感受器反应的十分之一，证明了检测低幅度神经元活动的可行性。
• 运动伪影抑制技术使神经节细胞反应得以可靠检测，否则其信号会被眼搏动与微运动所掩盖。
• 生成了横向位移图，显示了不同视网膜位置处光感受器与神经节细胞之间的功能连接路径。
• 观察到的内在光学信号可通过一个基于离子通量引起渗透性体积变化的理论模型加以解释，预测活跃细胞的轴向长度增加约10%。
• 该方法实现了对人眼视网膜神经元活动的非侵入性、细胞水平功能成像，具有早期诊断中枢神经系统（CNS）疾病的应用潜力。