在體(ti) 內(nei) 以細胞級空間分辨率和毫秒級時間分辨率對三維大腦回路中的神經元活動進行光學記錄對於(yu) 探測大腦中的信息流至關(guan) 重要。通常使用多光子顯微鏡對神經元活動進行大規模體(ti) 內(nei) 成像，以破譯動物行為(wei) 過程中分布式大腦回路中的神經編碼和處理。然而，傳(chuan) 統掃描顯微鏡很難應對在毫秒時間尺度上運行的神經元回路的三維結構(因為(wei) 體(ti) 積和毫秒采集難以協調)。體(ti) 積多平麵成像僅(jin) 限於(yu) 低采樣率和低軸向采樣密度，因為(wei) 體(ti) 素采集最終受到激光脈衝(chong) 率的限製。空間激發多路複用改進了三維采樣，但廣泛的多路複用通過背景熒光的積累降低了信噪比(SNR)，並加劇了大腦發熱。
三維自定義(yi) 訪問串行全息用於(yu) 神經元活動的快速光學記錄
技術背景：
雖然隨機存取多光子顯微鏡允許在三個(ge) 維度上快速光學訪問神經元目標，但該方法在記錄行為(wei) 動物(behaving animals)時受到運動偽(wei) 影的挑戰。隨機存取多光子(random-access multiphoton, RAMP)顯微鏡以不連續的三維柵格掃描中的一係列不相交的感興(xing) 趣點 (POI) 為(wei) 目標，從(cong) 而截斷空間采樣以在時域中加速采樣。三維RAMP顯微鏡已使用聲光偏轉器(acousto-optic deflector, AOD) 實現，它通過掃描光束的傾(qing) 斜和離焦相位調製來控製激發焦點的三維位置。然而，RAMP記錄僅(jin) 限於(yu) 體(ti) 外操作和麻醉動物(因為(wei) 清醒動物的記錄會(hui) 受到大腦運動引起的記錄偽(wei) 影的影響)。為(wei) 了緩解這個(ge) 問題，部署了專(zhuan) 用的AOD掃描模式(例如補丁掃描(patch scan)和三維超表麵掃描)，以獲取足夠的空間信息用於(yu) 事後運動校正，其代價(jia) 是時間分辨率。通過跟蹤參考對象並實時調整 AOD 掃描儀(yi) 的掃描坐標可以實現在線運動校正。
3D-CASH建立在快速聲光調製器的基礎上。通過X AOD/Y AOD串聯在4f係統中實現空間光調製，用於(yu) 3D RAMP顯微鏡，實現40kHz雙光子激發體(ti) 積的全息成形。使用3D-CASH,以40kHz的頻率從(cong) 神經元進行串行采樣，3D位置可自由選擇。通過使用覆蓋細胞體(ti) 及其預期位移場的尺寸優(you) 化的激發光模式瞄準每個(ge) 神經元，消除運動偽(wei) 影。從(cong) 清醒小鼠視覺皮層中的GCaMP6f記錄推斷的尖峰率跟蹤移動條刺激的相位，與(yu) 層間神經元對相比，內(nei) 部之間具有更高的尖峰相關(guan) 性。3D-CASH提供了對3D微回路中體(ti) 內(nei) 神經元活動的毫秒相關(guan) 結構的訪問。
圖1、3DScope的原理
圖2、激發光的holographic patterning
圖3、用於(yu) 清醒小鼠穩定RAMP記錄的全息照明
光學係統
DOI：https://doi.org/10.1038/s41592-021-01329-7
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