3月28日，北京大学IDG麦戈文脑科学研究所邀请中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心神经科学研究所王凯研究员，在金光邓祐才报告厅作了题为“脑动态过程的快速三维成像技术” 的精彩学术报告。于翔教授主持报告会。本期学术笔记由该报告整理而成。

　　生命是一个复杂的三维动态过程，需要具有高时空分辨率的三维成像技术来观察和解析其工作原理，这一特点在脑科学研究中尤为突出。以共聚焦扫描显微镜为代表的传统成像技术基于点扫描串行获取图像信息，无法快速覆盖较大的成像体积。为了应对这一挑战，能够同时获取整个三维体积内的荧光信号的新成像技术，三维光场成像技术获得越来越多的应用。

　　1. 扩增视场光场显微技术

　　王凯课题组突破现有的技术限制，发展出了一种新型三维在体成像技术：扩增视场光场显微技术（eXtended field-of-view Light Field Microscopy， XLFM），通过从不同角度同时对同一物体进行成像，在单次曝光中，对三维体系内的所有信号进行采集。对自由活动的动物进行成像一直是神经科学领域亟待解决的问题之一，王凯课题组将该成像系统与快速三维追踪系统结合，用该成像系统实现对自由行为的幼年斑马鱼的全脑血细胞和神经元功能进行高速成像。该成像系统首次捕捉到自由行为斑马鱼幼鱼在捕食活动中全脑神经元的实时活动情况。幼年斑马鱼的捕食过程非常多样化，涉及多个神经科学的重要问题，包括姿势调整，动机，感知、决策等，通过这种方法对斑马鱼幼鱼的全脑多个脑区神经元的钙活动进行成像，对理解斑马鱼捕食过程中不同脑区的功能具有重要意义。

　　图1 扩增视场光场显微技术成像系统¹

　　2. 共聚焦光场显微镜

　　由于光场显微镜分辨率有限，为了提高成像系统的分辨率和信噪比，王凯课题组研发了另一种新型的成像系统：共聚焦光场显微镜（Light field microscopy，LFM）。相比较第一代光场成像显微镜，在不牺牲成像速度的前提下，通过引入共聚焦成像的优势，有效滤掉了背景噪声，高效的提取到在焦平面上的信号，提高了分辨率和信噪比。

　　图2 共聚焦光场显微镜成像系统²

　　运用共聚焦光场显微镜对自由行为斑马鱼的捕食行为进行成像，不仅发现斑马鱼捕食过程中很多脑区被激活，还观察到单个神经元的活动在捕食行为中的变化，大幅提高了成像的分辨率和灵敏度。

　　图3 斑马鱼幼鱼在捕食过程中全脑神经元活动的变化²

　　在成功提高了灵敏度和降低背景噪声之后，王凯课题组继续将该成像技术拓展应用于小鼠的钙离子成像，与双光子成像相比，由于该成像系统基于单光子成像，成像深度没有双光子深，但该成像系统的优势在于可进行长时间连续成像，覆盖范围大，成像速度快（速度可达到90HZ），且光漂白效率低，在连续三维成像3小时后信号衰减不到50%。用这个成像系统对清醒小鼠成像可以观察到更多细胞的钙活动且时间速度更快，成像时间更长。

　　图4 清醒小鼠神经活动的功能成像²

　　王凯课题组还进一步将该成像系统用于小鼠血管内血细胞动态变化的成像，比如单个血细胞流动方向的变化，血管堵塞，血管不畅等现象均可以被追踪到，在用近红外颜色标记血细胞时，可看到更深组织内血管血流的变化。

　　3. 小型光场显微镜

　　王凯课题组后续还通过降低成像系统对斑马鱼行为的影响，开发了可移动成像系统对包埋斑马鱼的捕食行为和社交行为进行探索，通过对幼年斑马鱼的行为活动进行追踪，发现该成像系统可成功用于对幼年斑马鱼社交行为的追踪成像。

　　撰文：王淼

  审核：于翔

　　参考文献

　　1. Cong L, Wang Z, Chai Y, Hang W, Shang C, Yang W, Bai L, Du J, Wang K, Wen Q. Rapid whole brain imaging of neural activity in freely behaving larval zebrafish (Danio rerio). Elife. 2017 Sep 20;6:e28158. doi: 10.7554/eLife.28158. PMID: 28930070; PMCID: PMC5644961.

　　2. Zhang, Z., Bai, L., Cong, L. et al. Imaging volumetric dynamics at high speed in mouse and zebrafish brain with confocal light field microscopy. Nat Biotechnol 39, 74–83 (2021). https://doi.org/10.1038/s41587-020-0628-7

　　3. Zhenkun Zhang, Lin Cong, Lu Bai, Kai Wang,Light-field microscopy for fast volumetric brain imaging, Journal of Neuroscience Methods, Volume 352, 2021, https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2021.109083

　　4. Wang, K. Deep-learning-enhanced light-field microscopy. Nat Methods 18, 459–460 (2021). https://doi.org/10.1038/s41592-021-01151-1