活动动物神经环路光调控与荧光成像一体化系统研究

Fluorescence imaging and optogenetics have been playing important roles in neural circuits research. However, they still can not fully meet the needs of the studies on the function of neural circuits. First, the interference of changes in intrinsic chromophore would be involved in the common used in-vivo fluorescence imaging. Second, traditional photostimulation can only apply the stimulation at single point which can not provide multiple spatial pattern of stimulation. Last, there is no experimental setup which can provide simultaneous photostimulation and fluorescence imaging on freely moving animal yet. In this project we plan to develop the optical imaging techniques that combine the fiberic multi-modal optical imaging with the DMD based multi-pattern photostimulation so that the fluoresence imaging and multi-pattern photostimulation can be performed on freely moving animals simultaneously.

神经活动荧光成像技术和光遗传技术在对神经环路研究中已经取得重要研究成果，但仍不能完全满足神经环路功能研究的需求，主要表现为：活体实验中单纯的荧光成像，神经活动相关荧光信号会受到内源生色团浓度变化的干扰；传统神经元光调控方法只能进行对神经环路进行单个空间点的调控，无法实现神经环路多时空模式的调控；目前尚无能够对清醒活动中实验对象进行神经环路光调控同时进行神经活动荧光成像的方法。因此，本项目拟发展神经环路的多模态光学成像方法和荧光信号解析的矫正方法，改进空间光调制的神经元光调控技术，并解决两种方法同时用于清醒活动实验对象的关键问题，研究用于清醒动物的光纤型神经环路光调控与荧光成像一体化系统。

本项目针对神经环路功能研究的需求，设计构建了一套基于传像光纤束和数字微镜阵列控制，可在清醒活动动物上同时进行神经活动光调控和荧光成像的一体化神经活动光学成像系统。系统具备可扩展架构，可同时进行血液动力学参数的成像和荧光成像，并在此基础上校正血流血氧变化对荧光信号的干扰。在相关技术方法研究方面，提出了基于空间光调制器的散射介质波前校正成像方法，提高检测深度；提出了单曝光情况下提高脑血流检测准确性的方法，提高成像时间分辨率。该系统已初步应用到对清醒状态下小鼠脑皮层和脑深部组织的神经活动实验研究中，结果初步显示了不同类型神经元钙信号在皮层扩散性抑制过程中的差异。上述系统和方法有望在神经环路功能、生理和病理状态下的神经-血管耦合与调节机制等研究中发挥重要作用。