上海
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一些头戴式小型成像设备已经被开发出来，用于对自由运动动物的小视野（FOV，< 1 mm）的神经活动进行细胞分辨率成像。一种FOV相对较大的头戴式成像装置最近被设计用于大鼠的中尺度成像。“mini-mScope”是一种宽视野、微型化、头戴式荧光显微镜，与透明的聚合物头骨制剂兼容。该头戴式微型显微镜，可以在300多天的时间里实时成像自由移动老鼠复杂的大脑功能。分辨率从39.37到55.68 μm，可以由自由移动的鼠标头部携带。能够理解在复杂的行为过程中大脑的不同区域是如何相互作用的，在复杂的行为过程中大脑的多个区域同时工作在一起。
小鼠大脑的小型化、头戴式显微镜示意图
优势
设备的总重量需要小于4.0 g，以允许小鼠能够自由活动。第二，该设备需要对老鼠的大部分背侧皮层进行成像。第三，成像分辨率必须清晰。该研究团队开发了透明聚合物头骨，可以长期植入小鼠体内，并通过在三维打印框架中加入平面，圆盘磁铁嵌入两个侧面的凸耳中，与微型显微镜底部的圆盘磁铁或保护帽对齐。而且在底部外壳的三个照明臂中安装了三个与激发滤光片配对的蓝色发光二极管（LED）。绿色LED提供照明以进行反射率测量。双凸透镜和发射滤光片嵌入底部壳体的中心轴。具有提高灵敏度和成像速度、微型化和无线成像能力的传感器正在开发中。与传统的荧光显微镜相比，目前的微型荧光显微镜的信噪比降低。
微型头戴式显微镜设计好以后，就要对整个对整个皮层的感觉刺激诱发反应进行成像。通过刺激不同的感觉通路引起位于背皮层内的特定初级感觉区的神经活动。
应用
1、旷场实验以及动物社交实验
小鼠经历 3-5 天的适应期，其中实验者触摸每只小鼠5-15分钟。在处理期间，给小鼠安装了一个mini-mScope，使用微型头戴式显微镜观察了独居小鼠在旷场行为期间以及与同伴小鼠进行社交互动期间皮层区域之间的功能连接。实验持续了 6 分钟，其中包括两分钟的时间让 LED 预热到最大强度。将单独的旷场实验分为四种行为类型：小鼠静止期、活动期、梳理期和饲养期。为了研究社交行为，研究人员先让携带微型显微镜的老鼠探索竞技场，然后再引入同性伴侣鼠，可探究小鼠进行社交互动，包括触摸胡须或身体。当一只戴着头戴式显微镜的鼠与另一只鼠互动时，大脑皮层内的连通性会增加。可使用记录自由行为的孤独小鼠和与同伴小鼠的社交互动期间的中皮层活动。
SocialTrack丨多动物社交行为实时分析系统
2、清醒到睡眠的记录实验
使用迷你mini-mScope来测量在从清醒到自然睡眠的过渡过程中，皮层中细胞外谷氨酸释放的动态变化。每只小鼠被记录了两次，每一次持续两个小时。在固定头部的小鼠中诱导睡眠具有挑战性，通常需要睡眠剥夺，这可以改变整体睡眠结构和快速眼动（REM）和非快速眼动（NREM）睡眠的模式。让小鼠在它们自己的笼子里自然过渡到睡眠，并记录了在清醒、快速眼动睡眠和非快速眼动睡眠期间整个背侧皮层的谷氨酸活动。海马LFP显示向以高振幅慢波（0.5-4 Hz）为特征的非快速眼动睡眠过渡，随后以theta波段活动为特征的快速眼动睡眠。在安静的清醒状态和非快速眼动状态期间，自发的皮层活动模式在大脑半球中高度同步。
参考文献：
Rynes, Mathew L et al. “Miniaturized head-mounted microscope for whole-cortex mesoscale imaging in freely behaving mice.” Nature methods, 10.1038/s41592-021-01104-8. 5 Apr. 2021
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