时空多尺度神经环路活体成像技术

通过光学成像技术手段跟踪简单模式生物神经环路中的信息传递来指导研究高等动物神经系统的动力学机制，是探知大脑信息处理功能的最有效途径。但受限于现有成像技术的时间分辨率和空间分辨率，许多系统神经科学的研究工作无法深入开展。为突破限制，本项目结合项目组在光学系统研制和成像技术研发方面的工作，基于高性能sCMOS科学级相机，使用两种高速光学调制器件- - 扫描镜和变形镜，采用子图像分时复用方法和无波前传感器像差闭环校正方法，实现时间分辨率1毫秒和空间分辨率0.5微米的显微成像，并研制原型样机开展模式生物（线虫）神经环路的活体成像实验研究。基于该时间、空间精细尺度的成像技术，能够极大地满足目前神经生物学领域研究的需求，势必将为推动生命科学基础研究的发展作出贡献。

项目深入开展了时空多尺度线虫神经环路活体成像技术研究：为了实现对运动线虫感兴趣区域的荧光显微成像，项目解决了运动线虫感兴趣区域的实时追踪技术和样本台实时运动补偿技术，由此研制出运动线虫自动追踪成像子系统和线虫荧光显微成像子系统；为了提高荧光显微成像系统的空间分辨率，项目探索了显微成像光路的波前像差检测和补偿技术，由此研制了自适应光学波前传感和校正装置；为了实时补偿线虫运动带来的荧光成像离焦，项目组提出了使用离焦传感方法配和高速薄膜变形镜实施校正；为了减少线虫自动追踪时荧光图像的帧间位置差异，项目提出使用工业相机高速拍摄荧光图像进行帧间运动配准，一方面提供预测校正量修正样本台运动补偿，另一方面用以荧光图像序列（视频）的后处理。最终，项目研制的时空多尺度线虫活体荧光显微成像系统达到了空间分辨率优于600nm，时间分辨率200Hz的成像性能，据此可直观定量探求不同线虫认知行为及其所涉及神经元和神经环路的特性和功能机制。