圖1： Han實(shí)驗(yàn)室使用Kinetix sCMOS進(jìn)行電壓成像。上圖顯示了Kinetix視野中心單個(gè)神經(jīng)元的電壓數(shù)據(jù)，成像小鼠視覺(jué)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(jué)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(shí)驗(yàn)室的Eric Lowet博士提供。

背景

薛韓教授的實(shí)驗(yàn)室利用光學(xué)方法探測(cè)清醒動(dòng)物的神經(jīng)回路。憑借光遺傳學(xué)背景，韓教授開(kāi)發(fā)了許多光遺傳學(xué)關(guān)鍵分子工具，包括基于古線(xiàn)紅質(zhì)的電壓傳感器SomArchon。通過(guò)結(jié)合體體大力的電壓成像、鈣成像和光遺傳學(xué)，韓實(shí)驗(yàn)室能夠與神經(jīng)回路進(jìn)行光學(xué)接口。

韓教授向我們分享了她在電壓成像方面的經(jīng)驗(yàn)：“通過(guò)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(dòng)作電位放電分開(kāi)的亞閾值動(dòng)態(tài)，探測(cè)單個(gè)神經(jīng)元或整個(gè)神經(jīng)元群體的動(dòng)態(tài)。我們現(xiàn)在能真正看到過(guò)去一個(gè)世紀(jì)無(wú)法觀察到的電壓輸入?！?/p>

通過(guò)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(duì)于電壓成像，我們需要千赫茲，數(shù)十千赫茲。單次動(dòng)作電位持續(xù)時(shí)間為一到兩毫秒，我們不會(huì)愿意以一千赫記錄，這只給我們毫秒事件的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，甚至可能錯(cuò)過(guò)。關(guān)鍵挑戰(zhàn)是以超高速成像大視場(chǎng)，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(shí)間，導(dǎo)致信號(hào)水平較低。除了擁有大視場(chǎng)和極高成像速度外，相機(jī)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(shí)間內(nèi)盡可能多地記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

我們可以同時(shí)看到數(shù)百個(gè)神經(jīng)元的高信噪比電壓，Kinetix是第一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)的相機(jī)。這無(wú)疑將成為電壓成像領(lǐng)域的一個(gè)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(huà)幅傳感器和高靈敏度，用于電壓成像，消除了相機(jī)作為成像系統(tǒng)的瓶頸。通過(guò)8位速度模式，Kinetix可以在所有100萬(wàn)像素下以500 Hz錄制，在更小的區(qū)域內(nèi)，速度遠(yuǎn)超千赫茲甚至更高。

Eric Lowet博士描述了最近一項(xiàng)使用Kinetix進(jìn)行電壓成像的實(shí)驗(yàn)：“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(jué)皮層，使用Kinetix的全場(chǎng)。我們可以將激光點(diǎn)聚焦在單個(gè)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(shí)有效，我認(rèn)為這非常棒?！?/p>

“對(duì)我們來(lái)說(shuō)最令人驚訝的是，我們能夠在500赫茲下記錄到全場(chǎng)，并且能觀察到單個(gè)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(jī)相比，我們測(cè)試過(guò)[Kinetix]是首臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能且質(zhì)量高的相機(jī)?！?/p>

“我們可以同時(shí)記錄數(shù)百個(gè)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(jī)遇打開(kāi)了大門(mén)，從多個(gè)神經(jīng)元進(jìn)行記錄，肯定會(huì)在該領(lǐng)域帶來(lái)改變?！?br />
審核編輯 黃宇