[论文解读] 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 6

一句话总结

本文介绍了功能性光声神经断层扫描（FONT），一种实时、多光谱光声成像平台，可在活体斑马鱼中实现全脑钙动态的监测，空间分辨率低于70 μm，体素帧率为100帧/秒。该平台通过结合光声检测与基因编码的钙指示剂（GCaMP5G），克服了脑组织中的光散射问题，实现了对固定及自由游泳幼虫的非侵入性、深层组织神经活动功能成像。

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.

研究动机与目标

• 实现对活体动物全脑神经活动的非侵入性、高时空分辨率监测。
• 克服传统光学显微镜在散射脑组织中穿透深度受限的问题。
• 开发一种实时体素成像系统，能够利用基因编码指示剂追踪快速钙动态。
• 展示功能性光声断层扫描在完整大脑中同步监测神经活动与血流动力学的能力。

提出的方法

• 该系统采用多光谱光声断层扫描（MSOT）检测组织中光诱导的声波，实现深层组织成像。
• 在斑马鱼神经元中表达基因编码的钙指示剂GCaMP5G，通过荧光变化报告神经活动。
• 使用定制光声探头和阵列超声探测器，在200 mm³视野范围内以100个体素帧/秒的速度进行扫描。
• 应用光谱解混技术，分离钙指示剂与内源性色团（如血红蛋白）的信号。
• 平台集成实时图像重建与数据处理，实现对神经元群体的动态监测。
• 在固定及自由游泳的斑马鱼幼虫中验证成像性能，评估其体内功能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 光声断层扫描是否能在强光散射条件下，实现对活体斑马鱼全脑钙动态的实时、体素成像？
• RQ2 光声成像在深层脑区神经活动图谱绘制中，可实现的空间与时间分辨率如何？
• RQ3 该系统是否能够在完整活体大脑中同时分辨神经钙信号与血流动力学变化？
• RQ4 与传统光学方法相比，FONT平台在散射组织中的性能表现如何？
• RQ5 使用MSOT是否可行地以高保真度追踪自由运动生物体中的快速神经动态？

主要发现

• FONT平台在200 mm³视野范围内实现了100帧/秒的体素成像速率。
• 空间分辨率低于70 μm，可实现对神经元群体活动的精细映射。
• 成功追踪了固定及自由游泳斑马鱼幼虫大脑中GCaMP5G表达神经元的钙动态。
• 该系统克服了光学成像在散射组织中的穿透障碍，实现了深层组织功能成像。
• 成功实现了对神经钙信号与血流动力响应的同步分辨，支持神经血管耦合研究。
• 这是首次在活体中实现对基因编码钙指示剂的实时、全脑光声监测。