三维自定义访问串行全息用于神经元活动的快速光学记录

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三维自定义访问串行全息用于神经元活动的快速光学记录

技术背景：

在体内以细胞级空间分辨率和毫秒级时间分辨率对三维大脑回路中的神经元活动进行光学记录对于探测大脑中的信息流至关重要。通常使用多光子显微镜对神经元活动进行大规模体内成像，以破译动物行为过程中分布式大脑回路中的神经编码和处理。然而，传统扫描显微镜很难应对在毫秒时间尺度上运行的神经元回路的三维结构(因为体积和毫秒采集难以协调)。体积多平面成像仅限于低采样率和低轴向采样密度，因为体素采集最终受到激光脉冲率的限制。空间激发多路复用改进了三维采样，但广泛的多路复用通过背景荧光的积累降低了信噪比(SNR)，并加剧了大脑发热。

虽然随机存取多光子显微镜允许在三个维度上快速光学访问神经元目标，但该方法在记录行为动物(behaving animals)时受到运动伪影的挑战。随机存取多光子(random-access multiphoton, RAMP)显微镜以不连续的三维栅格扫描中的一系列不相交的感兴趣点 (POI) 为目标，从而截断空间采样以在时域中加速采样。三维RAMP显微镜已使用声光偏转器(acousto-optic deflector, AOD) 实现，它通过扫描光束的倾斜和离焦相位调制来控制激发焦点的三维位置。然而，RAMP记录仅限于体外操作和麻醉动物(因为清醒动物的记录会受到大脑运动引起的记录伪影的影响)。为了缓解这个问题，部署了专用的AOD扫描模式(例如补丁扫描(patch scan)和三维超表面扫描)，以获取足够的空间信息用于事后运动校正，其代价是时间分辨率。通过跟踪参考对象并实时调整 AOD 扫描仪的扫描坐标可以实现在线运动校正。

技术要点：

法国巴黎文理研究大学的Walther Akemann(一作)Stéphane Dieudonné和Laurent Bourdieu(两人为共同通讯)提出了一种针对三维RAMP显微镜中运动伪影问题的稳健解决方案，命名为三维自定义访问串行全息(three-dimensional custom-access serial holography, 3D-CASH)。它无需参考对象进行交错成像，因此可以更快地从神经元群体中进行采样。

3D-CASH建立在快速声光调制器的基础上。通过X AOD/Y AOD串联在4f系统中实现空间光调制，用于3D RAMP显微镜，实现40kHz双光子激发体积的全息成形。使用3D-CASH,以40kHz的频率从神经元进行串行采样，3D位置可自由选择。通过使用覆盖细胞体及其预期位移场的尺寸优化的激发光模式瞄准每个神经元，消除运动伪影。从清醒小鼠视觉皮层中的GCaMP6f记录推断的尖峰率跟踪移动条刺激的相位，与层间神经元对相比，内部之间具有更高的尖峰相关性。3D-CASH提供了对3D微回路中体内神经元活动的毫秒相关结构的访问。

图1、3DScope的原理

图2、激发光的holographic patterning

图3、用于清醒小鼠稳定RAMP记录的全息照明

附录：

光学系统

参考文献：Akemann, W., Wolf, S., Villette, V. et al. Fast optical recording of neuronal activity by three-dimensional custom-access serial holography. Nat Methods (2021).

DOI：https://doi.org/10.1038/s41592-021-01329-7

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