圖1： Han實驗室使用Kinetix sCMOS進行電壓成像。上圖顯示了Kinetix視野中心單個神經(jīng)元的電壓數(shù)據(jù)，成像小鼠視覺皮層，頻率為500 Hz，磁數(shù)為40倍。底部三條路徑顯示了以5 kHz成像的L1/2視覺皮層神經(jīng)元;下方的每條路徑均從上方橙色框放大而成。數(shù)據(jù)由Han實驗室的Eric Lowet博士提供。

背景

薛韓教授的實驗室利用光學方法探測清醒動物的神經(jīng)回路。憑借光遺傳學背景，韓教授開發(fā)了許多光遺傳學關(guān)鍵分子工具，包括基于古線紅質(zhì)的電壓傳感器SomArchon。通過結(jié)合體體大力的電壓成像、鈣成像和光遺傳學，韓實驗室能夠與神經(jīng)回路進行光學接口。

韓教授向我們分享了她在電壓成像方面的經(jīng)驗：“通過使用基因編碼電壓傳感器(GEVI)，我們可以記錄許多體內(nèi)神經(jīng)元的遺傳特征和形態(tài)。我們還能觀察到與動作電位放電分開的亞閾值動態(tài)，探測單個神經(jīng)元或整個神經(jīng)元群體的動態(tài)。我們現(xiàn)在能真正看到過去一個世紀無法觀察到的電壓輸入?！?/p>

通過電壓成像，薛漢教授和博士后Eric Lowet博士能夠研究神經(jīng)樣本的功能行為。

挑戰(zhàn)

電壓成像的挑戰(zhàn)在于速度，正如韓教授所描述的：“如何在高速下成像大面積區(qū)域?對于電壓成像，我們需要千赫茲，數(shù)十千赫茲。單次動作電位持續(xù)時間為一到兩毫秒，我們不會愿意以一千赫記錄，這只給我們毫秒事件的一個數(shù)據(jù)點，甚至可能錯過。關(guān)鍵挑戰(zhàn)是以超高速成像大視場，盡可能快，盡可能快，盡可能高，盡可能高。

在如此高的成像速度下，需要極短的曝光時間，導致信號水平較低。除了擁有大視場和極高成像速度外，相機還需在低噪聲水平下保持高度靈敏度，以便在神經(jīng)樣本短時間內(nèi)盡可能多地記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

我們可以同時看到數(shù)百個神經(jīng)元的高信噪比電壓，Kinetix是第一個能夠?qū)崿F(xiàn)這一點的相機。這無疑將成為電壓成像領(lǐng)域的一個顛覆者。------薛漢教授與埃里克·洛威特博士

解決方案

Kinetix具備極高速度、大畫幅傳感器和高靈敏度，用于電壓成像，消除了相機作為成像系統(tǒng)的瓶頸。通過8位速度模式，Kinetix可以在所有100萬像素下以500 Hz錄制，在更小的區(qū)域內(nèi)，速度遠超千赫茲甚至更高。

Eric Lowet博士描述了最近一項使用Kinetix進行電壓成像的實驗：“我們正在以40倍分辨率成像一只活躍且清醒的小鼠的視覺皮層，使用Kinetix的全場。我們可以將激光點聚焦在單個神經(jīng)元上，看到高信噪比電壓尖峰，這表明8位速度模式確實有效，我認為這非常棒?！?/p>

“對我們來說最令人驚訝的是，我們能夠在500赫茲下記錄到全場，并且能觀察到單個尖峰和良好的神經(jīng)元信噪膜電壓，這非常有前景。與其他相機相比，我們測試過[Kinetix]是首臺能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能且質(zhì)量高的相機?！?/p>

“我們可以同時記錄數(shù)百個神經(jīng)元，或者以非常非常高的采樣率記錄少數(shù)神經(jīng)元。這為許多新機遇打開了大門，從多個神經(jīng)元進行記錄，肯定會在該領(lǐng)域帶來改變?！?br />
審核編輯 黃宇