活体小鼠脑血管成像

图 1： 完整小鼠大脑的皮质宽场图像。a)交错成像显示血管系统具有SMC-GCaMP8.1(绿色)，神经元活动jRGECO(红色)和血流动力学校正(蓝色)。右图表示合并的通道。b) 血管段的频率分析显示平均血管活动 ~0.1 Hz。c) 信号的空间分析揭示了血管树中不同最大频率的各个子段。d) 潜在的低频神经元活动在空间上与血管活动相对应，因此夹带血管活动。使用 Kinetix sCMOS 相机采集的图像。

背景

Thomas Broggini 博士是法兰克福大学诊所转化神经外科实验室的首席研究员。他的研究重点是调查和理解相关神经外科疾病的机制，从而开发潜在的治疗方法。布罗吉尼博士的基本目标是揭示大脑及其疾病的复杂性。为了应对这些挑战，他采用了一种跨学科的方法，结合了尖端的样品制备方法、不同类型的显微镜和图像处理/分析管道。

在他最近的一个项目中，Broggini 博士说：“我们正在使用带有摄影物镜的宽视场显微镜系统来研究病理学中血管系统的振荡，这种设置使我们能够对整个小鼠皮层进行成像。活老鼠的头部有一个颅窗......使我们能够通过成像荧光监测体内的大脑活动。

通过使用三个不同的 LED 顺序照明并使用多波段滤光片，可以同时对三个通道进行成像。第一个通道对血管系统的振动进行成像(使用GCaMP作为标记)，第二个通道监测神经元活动(使用jRGECO)，第三个通道可用于对血流动力学变化进行成像，如下图1所示。

Broggini 博士进一步提到，“通过图像处理，血管振荡的强度可以与神经元活动联系起来。对采集的图像进行分析，从原始数据中提取相关的血管信息，通过傅里叶变换GCaMP通道的信号，我们得到功率密度“。

通过信号随时间的自相关，血管舒缩收缩可以识别为频率为 ~0.1 Hz 的功率峰值。通过这种尖端方法，可以研究和了解病理对大脑神经和血管系统的影响。

挑战

Broggini 博士描述了他的成像挑战，“使用较低的 NA 物镜通过荧光获取完整的小鼠大脑可提供相对较低的信号”。

因此，探测器需要将高灵敏度传感器与大视场相结合。此外，这里观察到的过程是动态的，需要检测器具有适当的时间分辨率。只有通过可靠的光源电子触发以及将其采集与触发信号相匹配的检测器，才能连续采集多达三个不同通道的荧光图像。同时使用多达三个通道，相机的量子效率需要在整个可见光波长光谱中保持高水平。

对于 Kinetix，我真的很喜欢非凡的灵敏度，能够在 PCIe 和 USB 之间进行选择，并且使用 BNC 连接器进行简单的触发。------托马斯·布罗吉尼博士

解决方案

Kinetix sCMOS 相机是该应用的理想解决方案，因为它使 Broggini 博士能够以高灵敏度和高时间分辨率对大视场进行成像。

在本说明中，血管舒缩峰值(频率约为 0.1 Hz)可以通过采集时间为 66 毫秒的图像来轻松解决，从而使三个成像通道中的每一个的成像频率均为 5 Hz。这可以通过 Kinetix 的高灵敏度模式来实现，由于高量子效率和低噪声的结合，从而实现了高信噪比。如果需要，Kinetix 仍然提供了在未来实验中将重点转移到更快的动态过程上的机会。整个定制系统使用 MicroManager 进行控制，MicroManager 是一种用于控制不同硬件部件的开源软件工具。通过 BNC 连接器和提供的文档，可以轻松触发 LED 照明和相机采集。